Методические рекомендации для выполнения лабораторно-практических работ по дисциплине: ОП.02 Основы автоматики и импульсной техники.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ, НАУКИ И МОЛОДЁЖНОЙ ПОЛИТИКИ

КРАСНОДАРСКОГО КРАЯ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ профессиональное образовательное УЧРЕЖДЕНИЕ КРАСНОДАРСКОГО КРАЯ

«Туапсинский гидрометеорологический техникум»

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

ДЛЯ ВЫПОЛНЕНИЯ ЛАБОРАТОРНО-ПРАКТИЧЕСКИХ РАБОТ

по учебной дисциплине

ОП.02 ОСНОВЫ АВТОМАТИКИ И ИМПУЛЬСНОЙ ТЕХНИКИ

специальность

05.02.03 Метеорология

Туапсе

2019г

РАССМОТРЕНЫ

Цикловой методической комиссией общеобразовательных дисциплин

Протокол № 1 от 29 августа 2019г.

Председатель

___________М.Н. Гайсинюк

УТВЕРЖДЕНЫ

Зам. директора по УР ГБПОУ КК ТГМТ

________________И.С. Данилова

_________2019г.

Методические рекомендации для лабораторно-практических работ учебной дисциплины ОП.02 Основы автоматики и импульсной техники разработана на основе Федерального государственного образовательного стандарта (далее – ФГОС) по специальности среднего профессионального образования (далее –СПО) 05.02.03 Метеорология, утвержденного приказом Министерства образования и науки Российской Федерации 28 июля 2014 г № 798, зарегистрирован в Минюсте РФ от 21 августа № 33740. Укрупненная группа 05.00.00 Наука о земле.

Организация-разработчик:

Государственное бюджетное профессиональное образовательное учреждение Краснодарского края «Туапсинский гидрометеорологический техникум».

Разработчик:

_________________ Гайсинюк М.Н., преподаватель ГБПОУ КК ТГМТ

Введение

Методические указания по проведению лабораторно-практических работ по дисциплине «Основы автоматики и импульсной техники» предназначены для студентов при подготовке к лабораторным работам с целью освоения практических умений и навыков. Лабораторно-практические работы выполняются по письменным инструкциям, которые приводятся в данном пособии. Каждая инструкция содержит краткие теоретические сведения, относящиеся к данной работе, перечень необходимого оборудования, порядок выполнения работы, контрольные вопросы.

Методические указания по проведению лабораторных работ разработаны согласно рабочим программам по учебной дисциплине «Основы автоматики и импульсной техники» и требованиям к умениям и знаниям Федерального государственного образовательного стандарта среднего профессионального образования (далее – ФГОС СПО) по специальности 05.02.03 Метеорология.

Лабораторные работы направлены на освоение следующих умений и знаний согласно ФГОС СПО:

знать:

• компоненты электронной и микроэлектронной техники;

• устройство, принцип действия и область применения электрических и электронных приборов и устройств, элементов автоматики;

уметь:

• пользоваться технической и справочной литературой;

формирование общих компетенции (ОК):

- ОК 3. Принимать решения в стандартных и нестандартных ситуациях и нести за них ответственность.

- ОК 4. Осуществлять поиск и использование информации, необходимой для эффективного выполнения профессиональных задач, профессионального и личностного развития.

- ОК 8. Ориентироваться в условиях смены технологий в профессиональной деятельности.

- ОК 9. Соблюдать правила охраны труда, техники безопасности и противопожарной защиты;

формирование профессиональных компетенций (ПК):

ПК 1.5. Эксплуатировать технические средства, устройства, применяемые для метеорологических наблюдений и наблюдений за загрязнением атмосферного воздуха и природной среды.

ПК 1.7. Проводить регламентные работы, текущий ремонт и проверку в условиях пункта наблюдений, применяемых средств измерений гидрометеорологического назначения и наблюдений за загрязнением природной среды.

ПК 2.1. Диагностировать неисправности приборов и оборудования.

ПК 2.2. Проводить профилактический осмотр и мелкий ремонт приборов и оборудования.

Теоретическая подготовка

Теоретическая подготовка необходима для проведения физического эксперимента, должна проводиться обучающимися в порядке самостоятельной работы. Ее следует начинать внимательным разбором руководства к данной лабораторной работе.

Особое внимание в ходе теоретической подготовки должно быть обращено на понимание физической сущности процесса. Для самоконтроля в каждой работе приведены контрольные вопросы, на которые обучающийся обязан дать четкие, правильные ответы. Теоретическая подготовка завершается предварительным составлением отчета со следующим порядком записей:

1. Название работы.

2. Цель работы.

3. Оборудование.

4. Ход работы (включает рисунки, схемы, таблицы, основные формулы для определения величин, а также расчетные формулы для определения погрешностей измеряемых величин).

5. Расчеты – окончательная запись результатов работы.

6. Вывод.

Ознакомление с приборами, сборка схем

Приступая к лабораторным работам, необходимо:

1. 1. 1. 1. получить у преподавателя приборы, требуемые для выполнения работы;

         2. разобраться в назначении приборов и принадлежностей в соответствии с их техническими данными;

         3. пользуясь схемой или рисунками, имеющимися в пособии, разместить приборы так, чтобы удобно было производить отсчеты, а затем собрать установку;

         4. сборку электрических схем следует производить после тщательного изучения правил выполнения лабораторных работ по электричеству.

Проведение опыта и измерений

При выполнении лабораторных работ измерение физических величин необходимо проводить в строгой, заранее предусмотренной последовательности.

Особо следует обратить внимание на точность и своевременность отсчетов при измерении нужных физических величин. Например, точность измерения времени с помощью секундомера зависит не только от четкого определения положения стрелки, но и в значительной степени – от своевременности включения и выключения часового механизма.

Методические указания к выполнению лабораторных работ для студентов

1. К выполнению лабораторных работ необходимо приготовиться до начала занятия в лаборатории. Кроме описания работы в данном учебном пособии, используйте рекомендованную литературу и конспект лекций. К выполнению работы допускаются только подготовленные студенты.

2. При проведении эксперимента результаты измерений и расчетов записывайте четко и кратко в заранее подготовленные таблицы.

3. При обработке результатов измерений:

А) помните, что точность расчетов не может превышать точности прямых измерений;

Б) результаты измерений лучше записывать в виде доверительного интервала.

4. Отчеты по лабораторным работам должны включать в себя следующие пункты:

   • название лабораторной работы и ее цель;

   • используемое оборудование;

   • порядок выполнения лабораторной работы;

   • далее пишется «Ход работы» и выполняются этапы лабораторной работы, согласно выше приведенному порядку записываются требуемые теоретические положения, результаты измерений, обработка результатов измерений, заполнение требуемых таблиц и графиков, по завершении работы делается вывод.

5. При подготовке к сдаче лабораторной работы, необходимо ответить на предложенные контрольные вопросы.

6. Если отчет по работе не сдан вовремя (до выполнения следующей работы) по неуважительной причине, оценка за лабораторную работу снижается.

Техника безопасности при выполнении лабораторных работ

• Вход в лабораторию осуществляется только по разрешению преподавателя.

• На первом занятии преподаватель проводит инструктаж по технике безопасности и напоминает студентам о бережном отношении к лаборатории и о материальной ответственности каждого из них за сохранность оборудования и обстановки лаборатории.

• При обнаружении повреждений оборудования персональную ответственность несут студенты, выполнявшие лабораторную работу на этом оборудовании. Виновники обязаны возместить материальный ущерб колледжу.

• При ознакомлении с рабочим местом проверить наличие комплектности оборудования и соединительных проводов (в случае отсутствия, какого-либо элемента, необходимо немедленно сообщить об этом преподавателю).

• Если во время проведения опыта замечены какие-либо неисправности оборудования, необходимо немедленно сообщить об этом преподавателю.

• После окончания лабораторной работы рабочее место привести в порядок.

• Будьте внимательны, дисциплинированы, осторожны, точно выполняйте указания учителя.

• Не оставляйте рабочего места без разрешения учителя.

• Располагайте приборы, материалы, оборудование на рабочем месте в порядке, указанном учителем.

• Не держите на рабочем месте предметы, не требующиеся при выполнении задания.

Критерии выставления оценок:

1. Наличие завершенного, оформленного в соответствии с требованиями отчета. Отчет включает в себя следующие разделы:

   • Титульный лист с названием работы.

   • Цель работы.

   • Краткие теоретические сведения.

   • Описание лабораторной установки.

   • Результаты эксперимента в виде таблиц, графиков, результатов расчета.

   • Вывод из работы, включающий в себя описание проделанной работы, заключение о том, соответствуют ли полученные результаты теоретически ожидавшимся, а расчетные величины – табличным значениям (справочным). Если имеются несоответствия, их нужно объяснить.

2. Наличие решенных задач, соответствующих данной лабораторной работе и номеру своей бригады.

3. Студент должен уметь ответить на следующие вопросы:

   • В чем заключается суть исследуемого физического явления?

   • Пояснить ход полученных экспериментальных зависимостей.

   • Вывести рабочую формулу.

   • Как изменятся результаты расчетов (ход экспериментальных кривых) при изменении условий эксперимента?

   • Студент должен быть готовым ответить на предложенные в методичке контрольные вопросы.

• Если студент имеет отчет, оформленный в соответствии с п.1, письменные ответы на все контрольные вопросы и решенные задачи, то без беседы с преподавателем он может рассчитывать на оценку «УДОВЛЕТВОРИТЕЛЬНО».

• Если студент имеет отчет, оформленный в соответствии с п.1, решенные задачи, правильно отвечает на предложенные преподавателем контрольные вопросы, то может рассчитывать на оценку «ХОРОШО».

• Если студент имеет отчет, оформленный в соответствии с п.1, решенные задачи, правильно отвечает на предложенные преподавателем контрольные вопросы, правильно отвечает на дополнительные вопросы по теме лабораторной работы, то может рассчитывать на оценку «ОТЛИЧНО».

Перечень лабораторно-практических работ по дисциплине:

ОП.02 «Основы автоматики и импульсной техники»:

Лабораторная работа №1: «Исследование фоторезисторов».

Лабораторная работа №2: «Исследование зависимости сопротивления терморезисторов от температуры».

Лабораторная работа №3: «Исследование электромагнитного реле».

Лабораторная работа №4: «Исследование электронного реле времени».

Лабораторная работа №5: «Реверсирование двигателей переменного тока».

Лабораторная работа №6: «Исследование усилителя».

Лабораторная работа №7: «Исследование электронного стабилизатора».

Практическое занятие №1: «Исследование трансформаторной и индикаторной схемы включения сельсинов».

Практическое занятие №2: «Исследование дифференцирующих и интегрирующих цепей».

Практическое занятие №3: «Исследование ограничителей амплитуды».

Практическое занятие №4: «Исследование мультивибратора в автоколебательном режиме».

Практическое занятие №5: «Исследования триггеров».

Практическое занятие №6: «Исследование логических элементов».

Лабораторная работа №1

«Исследование фоторезисторов»

Цель работы: экспериментально исследовать вольтамперную характеристику фоторезистора.

Общие сведения

Явление вырывания электронов из вещества при освещении его светом получило название фотоэлектрического эффекта. Различают внешний и внутренний фотоэффект. При внешнем фотоэффекте электроны освобождаются светом из поверхностного слоя вещества и переходят в другую среду, в частности в вакуум. В кристаллических полупроводниках и диэлектриках, помимо внешнего фотоэффекта, наблюдается внутренний фотоэффект.

Внутренним фотоэффектом называется увеличение электропроводности полупроводника под действием света. При внутреннем фотоэффекте оптически возбужденные электроны остаются внутри освещаемого тела, не нарушая его электрическую нейтральность, то есть под действием света происходит перераспределение электронов по энергетическим уровням.

Фоторезистором называется полупроводниковый прибор, действие которого основано на явлении внутреннего фотоэффекта.

Частота электромагнитного излучения, удовлетворяющая условию

Где h - постоянная Планка, ΔE – ширина запрещённой энергетической зоны полупроводника, называется красной границей фотоэффекта. В теории полупроводников выделяют также понятие вентильного фотоэффекта, когда фотоЭДС возникает при освещении вентильного, то есть выпрямляющего, контакта. Выпрямляющими свойствами обладают контакты полупроводников различного типа электропроводности (как p-n-переход).

Электропроводность собственного полупроводника, обусловленная тепловым возбуждением, называется темновой проводимостью:

σ_т=q_e n(μ_n+μ_p)

где n – концентрация электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне; μ_n и μ_p – подвижность электронов и дырок соответственно; q_e – заряд носителя тока.

При освещении полупроводника возникают дополнительные свободные носители заряда, обусловленные внутренним фотоэффектом. При поглощении кванта света один из валентных электронов переходит в зону проводимости, а в валентной зоне образуется дырка. Очевидно,

такой переход возможен, если энергия фотона несколько больше ширины запрещённой зоны E

Полная проводимость складывается из темновой и фотопроводимости:

σ=σ_т+σ_ф

Основными характеристиками фоторезистора являются вольтамперная, световая и спектральная.

Вольтамперной характеристикой фоторезистора называется зависимость тока I_ф, протекающего через фоторезистор, от величины приложенного напряжения U при постоянном световом потоке Ф:
I_ф = f (U)_{ф=const, λ=const}. Амперметр в схеме установки регистрирует полный световой ток I, включающий в себя темновой ток I_т и фототок I_ф:

где – сопротивление фоторезистора, l – его длина, S - площадь поперечного сечения, σ – его удельная проводимость, I_т – темновой ток, I_ф – фототок.

Из уравнения σ σ_т σ_ф видно, что вольтамперная характеристика как темновая, так и при освещении, является линейной, поскольку при постояной температуре T и постоянном световом потоке Ф электропроводимости σ_т и σ_ф не зависят от напряжения U. Следует отметить, что в области обычно реализуемых освещенностей световой ток намного больше темнового, т.е.
I >I_т.

Световой характеристикой фоторезистора называется зависимость фототока I_ф от величины падающего светового потока Ф при постоянном значении приложенного к нему напряжения I_ф = f (Ф)_U=const. Световая характеристика фоторезистора обычно нелинейная (Рис.2). При больших освещенностях увеличение фототока отстает от роста светового потока, намечается тенденция к насыщению. Это объясняется тем, что при увеличении светового потока наряду с ростом концентрации генерируемых носителей при небольших и средних освещенностях характеристика практически совпадает с прямой линией.

Спектральной характеристикой фоторезистора называется зависимость фототока насыщения I_н = f (λ)_{Ф=const,U=const.} Фототок в полупроводнике появляется, начиная с длины волны λ₀, соответствующей равенству:

где ΔE – ширина запрещенной зоны полупроводника; λкр – край собственного поглощения (красная граница фотоэффекта).

Зная ширину запрещённой зоны, можно определить полупроводник, из которого сделан фоторезистор (табл.1).

Таблица 1

Казалось бы, что спектральная характеристика фоторезистора должна иметь вид ступени, т.е. для всех λ < λ_кр , I_ф = const и для λ > λ_кр I_ф=0_.

Однако такой вид она могла бы иметь лишь при абсолютном нуле. При повышении температуры тепловое движение «размывает» край собственного поглощения и характеристика принимает вид кривой с выраженным максимумом (Рис.3). С увеличением энергии фотона в реальной спектральной характеристике фототок быстро достигает максимума, а затем начинает уменьшаться, хотя энергии фотона более чем достаточно для возникновения фотопроводимости. Это объясняется тем, что с уменьшением λ растет коэффициент оптического поглощения, что приводит к поглощению света в тонком приповерхностном слове вещества и, следовательно, к повышению концентрации неравновесных носителей заряда. Эти носители заряда активно рекомбинируют на поверхности, не успевая диффундировать в объем полупроводника, что приводит уменьшению фотопроводимости.

Вблизи края собственного поглощения у некоторых полупроводников возникает так называемое экситонное поглощение, несколько снижающее величину фототока. (Электрон, возбужденный фотон, покидает валентную зону, но зоны проводимости не достигает; эта система электрон-дырка, связанная кулоновским взаимодействием, и называется экситоном. Экситоны, будучи нейтральными образованиями, вклада в электропроводность не дают).

Методика эксперимента

Экспериментальная установка. Электрическая схема установки представлена на Рис.4. В качестве источника ЭДС используется генератор регулируемого постоянного напряжения блока ИПС1, работающий в диапазоне 0 – 6,3В. Такое включение измерительных приборов позволяет исключить шунтирование вольтметром фоторезистора. При этом в рабочем диапазоне токов влияние внутреннего сопротивления амперметра на показания вольтметра незначительное.

В качестве источников света в лабораторной установке используется набор светодиодов (кластер), излучающих в различных узких диапазонах длин волн. Эти диапазоны лежат в видимой и инфракрасной частях спектра.

При выполнении работы необходимо учитывать, что в лабораторной установке устанавливается не абсолютная, а относительная интенсивность излучения Ф = J/J₀. Где J₀ некоторая константа, задаваемая измерительным прибором и регулируется пользователем с помощью регулятора.

Указания по подготовке к работе

1. Подготовьте в протоколе эксперимента таблицы по форме1-3.
   
   
   

Таблица 1: вольтамперные характеристики фоторезистора

I_ф = f (U)_{ф=const, λ=const} J/J₀ = …., I_т = …., шаг напряжения ΔU = 0,5В

U, B

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

4,5

5

5,5

6

I_т, мкА

λ=

I, мкА

I_ф = I – I_т
мкА

λ=

I, мкА

I_ф = I – I_т
мкА

λ=

I, мкА

I_ф = I – I_т
мкА

Таблица 2: световые характеристики фоторезистора

I_ф = f (Ф)_{U=const, λ=const} U = …, I = …., Δ(J/J₀) = 0,1

J/J₀

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

1,1

1,2

λ=

I, мкА

I_ф = I – I_т
мкА

λ=

I, мкА

I_ф = I – I_т
мкА

Таблица 3: спектральная характеристика фоторезистора.

J/J₀ = …., U = …, I_т = …., I_ф = f (λ)_{U=const, Ф=const}

λ, нм

430

470

520

565

590

660

700

860

I, мкА

I_ф = I – I_т
мкА

Указания по проведению измерений

1. Собрать схему (Рис.4).

2. На блоке управления ИПС1 регулятором интенсивности излучения установите значение J/J₀ в диапазоне 1,0 – 1,2; вберите режим измерения вольтметра – 20В, режим измерения амперметра – 200 мкА.

3. Снять темновую характеристику фоторезистора I_т = f (U)_Ф=const при величине Ф = J/J₀ = 0,1 с шагом напряжения ΔU = 0,5В. Значения занести в Табл.1.

4. Снять семейство вольтамперных характеристик (зависимость величины фототока I_ф = I – I_т, от напряжения U) для трех значений длины волны λ с шагом напряжения Δ U = 0,5В.

Для исключения влияния усилителя необходимо снять значение темнового тока I_т фоторезистора при величине J/J₀ = 0,1; результаты измерений занесите в таблицу1. Истинное значение фототока равно разности светового I и темнового I_т токов: I_ф = I – I_т.

5. Снять семейство световых характеристик (зависимость величины I_ф от величины светового потока Ф = J/J₀). Измерения выполнить при фиксированном значении напряжения U для двух длин волн с шагом по J/J₀ = 0,1. Выбранное значение напряжения U и темнового тока I_т занести в верхнюю часть таблиц 2 и 3. Результаты измерений занесите в таблицу 2.

6. Снять спектральную характеристику фотоэлемента (зависимость величины фототока от длины волны λ) используя все 8 длин волн, значения которых написаны на крышке стенда СЗ-ОК1и в табл.3. Измерения выполнять при фиксированном значении напряжения U и фиксированном значении величины светового потока Ф = J/J₀, значения которых занести в верхнюю часть табл.3. Результаты занести в таблицу3.

Контрольные вопросы

1. Чем отличается внешний фотоэффект от внутреннего?

2. Что такое длинноволновая граница фотопроводимости и как её определить?

3. Почему при освещении полупроводника его сопротивление уменьшается?

4. Что такое вольтамперная и световая характеристики фотосопротивлений?

5. Как образуются в твердом теле зоны проводимости, валентная, запрещенная зоны?

6. Как зависит от температуры сопротивление (проводимость) полупроводника?
   
   
   

Лабораторная работа № 2

«Исследование зависимости сопротивления терморезисторов от температуры»

Цель работы: ознакомиться с основными характеристиками терморезистора, провести экспериментальное исследование зависимости сопротивления образцов терморезисторов от температуры, определить температурные коэффициенты сопротивления терморезисторов.

Краткое описание сущности терморезистивного эффекта.

Терморезистор – это устройство, сопротивление которого сильно изменяется с изменением температуры. Это резистивный прибор, обладающий высоким ТКС (температурным коэффициентом сопротивления) в широком диапазоне температур. Различают терморезисторы с отрицательным ТКС, сопротивление которых падает с возрастанием температуры, часто называемые термисторами, и терморезисторы с положительным ТКС, сопротивление которых увеличивается с возрастанием температуры. Такие терморезисторы называются позисторами. Терморезисторы обоих типов изготавливают из полупроводниковых материалов с различными примесями.

В 1833 году Фарадей обнаружил отрицательный ТКС у сульфида серебра, но отсутствие сведений о явлении в контактах металл- полупроводник препятствовало изготовлению приборов с воспроизводимыми характеристиками. В 30-х годах уже двадцатого века у некоторых оксидов, как Fe₃O₄ и UO₂, обнаружили высокий отрицательный температурный коэффициент сопротивления. В конце 30-х – начале 40-х этот ряд пополнился NiO, CoO, системой NiO-Co₂O₃-Mn₂O₃. Интервал удельных сопротивлений расширился благодаря добавлению оксида меди Mn₃O₄ и в систему NiO- Mn₂O₃.

Терморезисторы с отрицательным ТКС изготавливаются из оксидов металлов с незаполненными электронными уровнями, и при достаточно низких температурах обмен электронами соседних ионов затрудняется, при этом электропроводность вещества мала. Если температура увеличивается, то электроны приобретают энергию в виде тепла, процесс обмена ионов электронами становится интенсивнее, поэтому резко увеличивается подвижность носителей заряда.

Приведем несколько слов о физических особенностях терморезисторов (вернее полупроводниковых материалов, на основе которых изготовлены терморезисторы), имеющих положительный температурный коэффициент сопротивления в некотором интервале температур. Такие терморезисторы часто называют позисторами.

Терморезисторы с положительным ТКС условно можно разделить на 2 группы:

1. Терморезисторы из полупроводникового материала (обычно Si) в форме небольших пластин с двумя выводами на противоположных сторонах. Их применение основано на том, что легированные кристаллы Si (кремния) как n-, так и p- типа имеют положительный ТКС при температуре от криогенных до 150^oC и выше, причем ТКС при комнатной температуре примерно равен 0,8% на 1^oC.

2. Терморезисторы с большим ТКС (до 70% на 1^oC), но в более ограниченном диапазоне температур. Материалом в данном случае является поликристаллический полупроводниковый титанат бария с большим изменением ТКС при температуре 120^oC, соответствующей сегнетоэлектрической точке Кюри этого материала. Добавляя другие материалы, например титанат свинца или стронций, такое изменение ТКС можно получить при температурах от -100 до +250^oC. Можно также изменить наклон кривой сопротивления так, что большое изменение температур будет происходить в более узком интервале температур, например: 0-100^oC.

При низких температурах титанат бария представляет собой диэлектрик с преобладающей спонтанной поляризацией, потенциальный барьер между кристаллами мал. Очень важна температура, соответствующая точке Кюри для TiBa. При нагреве до этой температуры спонтанная поляризация исчезает, возрастает высота барьера и, следовательно, сопротивление сильно увеличивается.

Устройство терморезисторов. Оценки параметров терморезисторов.

Температурная зависимость сопротивления является главной характеристикой терморезисторов, в значительной степени, определяющей остальные характеристики этих изделий. Естественно, она аналогична температурной зависимости удельного сопротивления полупроводника, из которого изготовлен данный терморезистор.

Измерения показывают, что температурная зависимость сопротивления большинства типов отечественных терморезисторов с отрицательным ТКС с достаточной для практики точностью во всем рабочем интервале температур или в его части аппроксимируется выражением:

где R_T – величина сопротивления терморезистора при температуре T (в градусах Кельвина), постоянная зависит от физических свойств материала и габаритов терморезистора (l – расстояние между электродами [см] и S – площадь поперечного сечения полупроводникового элемента терморезистора [см]²) и соответствует «холодному» сопротивлению терморезистора (при 20 °C); постоянная B зависит от физических свойств материала и может иметь одно или два значения в интервале рабочих температур.

Постоянная В является одной из важнейших характеристик терморезистора, т.к. она определяет его температурный коэффициент сопротивления (ТKС) α_Т при температуре T α_Т:

ТKС может быть как положительным так и отрицательным. Константу В можно определить экспериментально, измерив сопротивление терморезистора при различных температурах. Из уравнения (1.1) можно получить:

Это выражение в координатах lgR и представляет уравнение прямой, что значительно облегчает определение интервала температур, в котором формула с необходимой точностью аппроксимирует действительную зависимость R_T(T). По результатам измерений R_T и T строят график зависимости . Если через полученные экспериментально точки можно провести прямую, то считают, что в данном интервале температур выражение для R_T справедливо.

Для практических расчетов удобно исключить постоянную A. Написав формулу (1.1) для R_T для двух температур T₁ и T₂ и разделив одно на другое, получим:

Из этой формулы можно рассчитать величину сопротивления терморезистора при любой температуре T₂ (в интервале рабочих температур), зная значение постоянной B и сопротивление образца при какой-то температуре T₁.

Величина B определяется экспериментально методом наименьших квадратов (см. приложение) либо измерением сопротивления терморезистора при двух температурах T₁ и T₂. Логарифмируя предыдущее выражение, легко получить:

где , а .

Размерность B – градусы Цельсия или Кельвина. Фактически здесь мы вычисляем B через тангенс угла наклона прямой к оси обратных температур 1/T.

Зная величину В легко определить ТКС терморезистора α как это обычно принято по формуле (1.2).

Для позисторов температурные зависимости сопротивления, снятые в широких интервалах температур, имеют сложный характер. При достаточно низких и высоких температурах сопротивление уменьшается при увеличении температуры по закону, близкому к экспоненциальному. В промежуточной области сопротивление R резко возрастает при повышении температуры. Крутизной графика, а, следовательно, и величиной ТКС, можно управлять в широких пределах различными технологическими приемами.

Для многих типов позисторов сопротивление в довольно большом интервале температур (порядка нескольких десятков градусов Цельсия/Кельвина) меняется строго по экспоненциальному закону:

где A – постоянная, α≈const – температурный коэффициент сопротивления в абсолютных единицах. Для этого типа терморезисторов величина температурной чувствительности В не вводится. При такой записи формулы все вышеприведенные выкладки для терморезисторов с отрицательным ТКС можно применить и в этом случае.

Логарифмируя выражение (1.6), получим:

Из выражения (1.7) экспериментально определяют ТКС α методом наименьших квадратов или по аналогии со способом, описанным выше для термисторов (вычисляя тангенс угла наклона прямой к оси температур).

Терморезисторы изготавливаются из материала, изменяющего свое сопротивление с изменением температуры в соответствии с перечисленными выше основными зависимости R = f(T). В терморезисторах с отрицательным ТКС полупроводниковый материал – спеченная керамика, которой придают различные форму и размеры. Ее изготавливают из смеси оксидов металлов, таких, как Mn, Ni, Co, Cu, Fe. Изменяя состав материала и размеры терморезистора, можно получить сопротивления от 1 до 10⁶ Ом при комнатной температуре и ТКС от -2 до 6,5% на 1^oC.

Терморезисторы, как уже было сказано, изготавливаются разных размеров: от бусинок диаметром 0,2 мм, дисков и шайб диаметром 3-25 мм до стержней диаметром 12 и длиной до 40 мм. Бусинковые терморезисторы можно заливать стеклом, помещать в стеклянные или пластмассовые оболочки или в транзисторные корпуса. Дисковые защищают чаще изоляционными пленками из лака или эпоксидных смол.

Важная технологическая операция в производстве терморезисторов – создание омических контактов к термочувствительным элементам. Для этого на торцевых поверхностях термочувствительных элементов, выполненных в виде стержней, дисков или шайб создают серебряные контакты с помощью специальных паст. Для повышения стабильности параметров эти элементы подвергают термообработке при 200-300^oC. Окончательная стабилизация происходит путем прогрева элементов в течение сотен часов при максимальной рабочей температуре.

Когда терморезистивный элемент получен, его защищают специальными лаками, а в ряде случаев помещают в стеклянный или металлический корпус. При измерении сопротивления надо поддерживать температуру терморезистора с высокой точностью (0,05-0,1^oC), так как сопротивление является функцией температуры.

Материал для создания терморезисторов должен удовлетворять следующим требованиям: чисто электронная проводимость материала и возможность регулирования ее, стабильность характеристик материала в диапазоне рабочих температур, простота технологии изготовления изделий. Материалы должны быть нечувствительными к загрязнениям в процессе технологического изготовления изделий.

Наибольший интерес вызывают полупроводниковые материалы, обладающие большим ТКС, кроме комплекса необходимых свойств. Большое распространение получили CuO, Mn₃O₄, Co₃O₄, NiO и их смеси. На основе смесей оксидов меди и марганца получены полупроводниковые материалы с электропроводностью от 10^-8 до 10^-1 (Ом∙см)^-1. Электропроводность кобальто-марганцевых окисных полупроводников лежит в пределах от 10^-9 до 10^-3 (Ом∙см)^-1. Получение необходимой электропроводности и ТКС достигается выбором процентного соотношения оксидов металлов в композиции при использовании метода совместного охлаждения щелочью азотнокислых соединений марганца, кобальта, меди и последующего прокаливания гидратов окислов.

Также используют окислы титана, ванадия, железа. При изменении соотношения компонентов соответствующих материалов можно получить заданные значения удельного сопротивления и ТКС. Использованием указанных компонентов и несколько видоизмененных способов смешения и термического обжига удалось создать терморезисторы с косвенным подогревом (ТКП).

Интерес для производства терморезисторов вызывают тройные марганцевые системы окислов, так как электропроводность таких материалов слабо зависит от примесей, следовательно, можно получать на их основе терморезисторы с малым разбросом по сопротивлению и ТКС, а значит массовый выпуск терморезисторов с заданными электрическими параметрами.

Современные терморезисторы с отрицательным ТКС обычно изготавливают из следующих оксидных систем: никель-марганец-медь, никель-марганец-кобальт-медь, кобальт-марганец-медь, железо-титан, никель-литий, кобальт-литий, медь-марганец. Кроме того, практикуется добавление таких элементов, как железо, алюминий, цинк, магний, которые позволяют модифицировать свойства перечисленных систем.

Тенденции развития современных материалов с отрицательным ТКС выявили три основных направления в производстве терморезисторов. Главное – получение более стабильных терморезисторов. В результате появились взаимозаменяемые высокостабильные приборы с отрицательным ТКС. Это было достигнуто за счет использования более чистых исходных материалов, подбора соответствующих композиций и тщательного контроля на всех стадиях изготовления терморезистора.

Второе направление – расширение верхней границы рабочих температур. Было создано несколько типов терморезисторов, у которых эта граница приблизительно равна 1000^oC. Это было достигнуто за счет применения высокотемпературных материалов.

Третье направление – создание переключающих терморезисторов с отрицательным ТКС. Они имеют очень большое изменение сопротивления в узком интервале температур и называются терморезисторы с критической температурой и терморезисторы на основе металлоксидных соединений, в которых используется резкое изменение проводимости от полупроводниковой к металлической, например VO₂ с температурой перехода 68^oC.

Довольно перспективное направление представляют собой терморезисторы с положительным ТКС. Терморезистивные элементы с положительным ТКС выпускают на основе титанато-бариевой керамики, сопротивление этих элементов значительно снижено добавлением редкоземельных элементов. Титанат бария BaTiO₃ – диэлектрик, поэтому его удельное сопротивление при комнатной температуре велико (10¹⁰-10¹²)Ом∙см.

При введении туда примесей, таких, как лантан или церий, в ничтожно малых количествах (0,1-0,3 атомного процента) его удельное сопротивление уменьшается до 10-100 Ом∙см. Если ввести эти примеси в титанат бария, его сопротивление в узком интервале температур увеличится на несколько порядков. Типичная зависимость R(T) для терморезисторов, снимающаяся в установившемся режиме приведена на рис. 1. Масштаб по оси R взят возрастающий по закону 10^x, по оси T пропущен участок в интервале (0-223) K.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Приборы и оборудование.

Изучение характеристик терморезисторов производится на установке ФМБ-3, принципиальная блок-схема которой приведена на рис.2 (упрощенно). Конструктивно установка состоит из узкой и длинной электропечи (для равномерного нагрева) с регулируемой мощностью нагрева, в которую помещаются два (R1 и R2 на схеме, R=R1) исследуемых образца терморезисторов с положительным и отрицательным ТКС. Температура t в электропечи измеряется высокоточным цифровым термодатчиком, также введенным в полость электропечи. Сигнал с термодатчика подается через встроенное АЦП на измерительный прибор ИП и индицируется в градусах Цельсия. Точность измерения температуры термодатчика составляет ±1 ⁰C. Все измеренные и контролируемые параметры (мощность нагрева P, температура t а также сопротивления образцов R1 и R2 выводятся на LCD ЖКД дисплей). Для переключения омметра в режим измерения первого R1 либо второго R2 сопротивления служит кнопка «ОБРАЗЕЦ».

Скорость нагрева регулируется с помощью кнопок «МОЩНОСТЬ НАГРЕВАТЕЛЯ». Удержание кнопок приводит к плавному возрастанию мощности печи. Для охлаждения предусмотрена возможность включения кулера нажатием кнопки «ОХЛАЖДЕНИЕ». Отключение кулера осуществляется нажатием той же кнопки. При перегревании электропечи

свыше 69 ⁰С срабатывает автоматическое включение охлаждения, а электропечь отключается.

Порядок выполнения.

1. Перед началом работы ознакомится с принципиальной схемой учебной установки рис. 2, разобраться в назначении ручек, кнопок и измерительного прибора. Проверить целостность сетевого провода

2. Включить установку в сеть ~220 В. Поставить переключатель «СЕТЬ» на панели учебного модуля в положение «ВКЛ», при этом должен загореться сигнальный индикатор.

3. Дать установке прогреться в течение трех минут.

4. Подготовить таблицу 1 для записи результатов измерения зависимости сопротивления терморезисторов от температуры. Во время нагрева в таблицу следует записывать показания омметров R1 и R2 (попеременно переключая их кнопкой «ОБРАЗЕЦ») и температуру электропечи в ⁰C через каждые 2 ⁰C, остальные расчеты проводить после включения охлаждения.

Таблица 1

t, °C

R₁, кОм

R₂, кОм

30

32

34

35

B = …..[K]

B = ….. [K]

5. Установить мощность нагрева печи равную 45-55 % от максимальной с помощью кнопок «МОЩНОСТЬ НАГЕРВАТЕЛЯ», приступить к снятию зависимости R1 и R2 сопротивлений терморезисторов от температуры t, записывая через 2 градуса значение показаний омметров и температуры. Измерение рекомендуется начинать при достижении в электропечи температуры t≈28-30 ⁰C, когда печь достаточно равномерно прогреется и производить до температуры t≈68 °C.

6. При достижении температуры 45-50 ⁰C мощность нагрева рекомендуется повысить до 70-90 %.

7. Нагрев производить до температуры 68 ⁰C, после чего включить систему охлаждения нажатием кнопки «ОХЛАЖДЕНИЕ». Охлаждать нагреватель следует в течение получаса до достижения практически комнатной температуры ≈25-30 ⁰C

8. Построить графики зависимостей сопротивлений терморезисторов R1(T) и R2(T) от температуры. При построении для последующих расчетов необходимо перевести все измеренные значения в СИ (температуру выразить в Кельвинах T[K] = t[⁰C] + 273; сопротивления образцов выразить в Омах).

9. Построить график зависимости (для терморезистора, сопротивление которого падает с ростом температуры) и график (для терморезистора, сопротивление которого растет с ростом температуры).

10. Для терморезистора R₁, сопротивление которого падает с ростом температуры, методом наименьших квадратов (см. приложение) либо по формуле (1.5) определить коэффициент температурной чувствительности B и построить график зависимости его температурного коэффициента сопротивления (ТКС) α_Т от температур 30-70 °C. При расчётах следует учитывать, что коэффициент k наклон прямой:

определяем при помощи метода наименьших квадратов связан с температурой чувствительности B формулой, легко получаемой сравнением вида выражения (1.3) с уравнением прямой (2.1):

при этом ,

11. Для терморезистора R₂, сопротивление которого растет с ростом температуры аналогичным образом рассчитать с помощью метода наименьших квадратов температурный коэффициент сопротивления α_Т (см. формулу 1.7). Сравнивая (1.7) с уравнение прямой (2.1) легко находим, что интересующий нас коэффициент α_Т выражается аналогично (2.2):

12. Все измеренные и вычисленные значения занести в таблицу 1.

13. По окончании работы поставить переключатель «СЕТЬ» в положение «выкл», при этом должен погаснуть сигнальный индикатор и вынуть вилку из розетки.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ.

1. Назовите причины температурной зависимости сопротивления терморезисторов.

2. Объясните работу термосопротивления с точки зрения зонной модели.

3. Назовите и охарактеризуйте основные параметры терморезисторов.

4. Как изготавливаются терморезисторы? Где они используются?

5. Объясните работу учебной установки согласно блок-схеме рис. 2.

ПРИЛОЖЕНИЕ

ПРИЛОЖ

Лабораторная работа №3

«Исследование электромагнитного реле»

Цель работы: исследовать и сравнить характеристики механического и электрического реле тока

Теоретические сведения

Электромагнитные реле постоянного тока, обладают положительными свойствами, используются наиболее широко в качестве реле промежуточного, времени, максимального тока, минимального напряжения.

Электромагнитное реле состоит из трех основных частей: контактной системы (контактные пружины выполнены из материала нейзильбера), магнитопровода (ярмо, сердечник, якорь, выполненные из мягкой стали) и обмотки (катушки). Магнитную цепь составляют сердечник, якорь, ярмо и воздушный зазор между якорем и сердечником.

Простейшая схема электромагнитного реле: 1 – катушка; 2 – ферромагнитный стержень; 3 – подвижный якорь; 4 – неподвижные контакты; 5 – основание; 6 – пружина.

Рисунок 1 – Простейшая схема электромагнитного реле

Особенности работы реле иллюстрируют этапы на временной диаграмме действия реле.

Рисунок 2 – Временная диаграмма работы реле постоянного тока

При рассмотрении работы реле выделяются четыре этапа:

Этап I – срабатывание реле. Длительность этого этапа – время полного срабатывания , т.е. промежуток времени от момента подачи напряжения на катушку реле до момента надежного замыкания контактов (точка А); - ток трогания, при котором начинается движение якоря; - время, за которое ток достигает значения , (точка а), т.е. промежуток, соответствующий началу движения якоря; - ток, при котором срабатывает реле; - время движения якоря при срабатывании. Таким образом, время полного срабатывания, отвечающее окончанию движения якоря, .

Этап II – работа реле ( - время работы реле). После того как реле сработает, ток в обмотке продолжает увеличиваться (участок АВ), пока не достигнет установившегося значения. Участок АВ необходим для того, чтобы обеспечить надежное притяжение якоря к сердечнику, исключающее вибрацию якоря при сотрясениях реле. Впоследствии ток в обмотке реле остается неизменным. Отношение установившегося тока к току срабатывания называется коэффициентом запаса реле по срабатыванию , т.е. показывает надежность работы реле:

Величина не должна превышать значения, допустимого для обмотки реле по условиям ее нагрева.

Этап III – отпускание реле. Этот период начинается от момента прекращения подачи сигнала (точка С) и продолжается до момента, когда ток в обмотке реле уменьшится до значения (точка D – прекращение воздействия реле на управляемую цепь). При этом различают время трогания при отпускании и время движения .

Время отпускания , где время до начала движения якоря при отпускании; – продолжительность перемещения якоря. Отношение тока отпускания к току срабатывания называется коэффициентом возврата: .

Этап IV – покой реле – отрезок времени от момента размыкания контактов реле (точка D) до момента поступления нового сигнала на его обмотку. При быстром следовании управляющих сигналов друг за другом работа реле характеризуется максимальной частью срабатывания (числом срабатывания реле в единицу времени).

Рисунок 3 – РТ-40

Электронное реле предназначено для контроля параметров электрического тока в сети и передачи команды исполнительным элементам. Обеспечивает защиту оборудования от перегрузок, а также сигнализирует о необходимости его проверки. Широкий диапазон контролируемых значений тока от 1,6 до 16А.

Применяют в цепях управления переменного тока напряжением до 250 В (AC-1) или постоянного тока напряжением до 24 В. Реле являются коммутирующими устройствами и предназначены для гальванической развязки и передачи команд управления исполнительным элементам, между силовыми цепями и цепями управления.

Рисунок 4 – Реле тока ORI-01

Таблица 1 – Технические характеристики

Напряжение питания

24-240 В AC / 24 В В

Потребляемая мощность

AC 0,09 - 3 ВА / DC 0,05 - 1,5 Вт

Диапазон частоты питающего напряжения

50/60 ± 0,2 Гц

Номинальное напряжение контактной группы

250В АС /24 DC В

Механическая износостойкость

10^7 циклов

Электрическая износостойкость

10^6 циклов

Температура эксплуатации

от -20 до + 55 °C

Степень защиты IP лицевая панель

IP40

Степень защиты IP клеммы

IP20

Порядок выполнения работы

1. Подать напряжение на установку.

2. Подключить в цепь питания обмоток реле амперметр.

3. Переключатель на КК1 и КК2 поставить в положение 1.

4. Медленно повышая напряжение источника питания, зафиксировать какая из ламп (L1, L2) загорелась первой, и записать её значение, сняв показания с амперметра. Зафиксировать значение второй лампы. Записать в таблицу. Медленно понижая напряжение добиться погасания ламп L1, L2. В момент угасания лампы записываем ток отпускания () с амперметра. Описанный опыт повторяем три раза для определения среднего тока срабатывания и среднего тока отпускания.

Рисунок 5 – Схема установки

Таблица 2

реле

№ опыта

Ток срабатывания

Ток отпускания

КК1

1

2

3

Среднее значение

КК2

1

2

3

Среднее значение

Задание

1. Начертить схему исследуемой установки.

2. Заполнить таблицу с результатами измерений и расчетов

3. Ответить на контрольные вопросы

Контрольные вопросы

1. Описать назначение электронного реле тока.

2. Описать назначение электромагнитного реле постоянного тока.

3. Начертить и пояснить временную диаграмму работы реле постоянного тока.

4. Какова потребляемая мощность ORI-01?

5. Начертить схему электромагнитного реле, обозначив составные части.

Лабораторная работа №4

«Изучение электронного реле времени»

Цель работы: Изучить принцип действия и конструкцию электронного реле времени постоянного тока серии РЭВ-800.

1. Порядок выполнения работы

1.1. Ознакомиться с краткими теоретическими сведениями

1.2. Оформить отчет, содержащий:

- цель работы;

- магнитную цепь электронного реле времени;

- общий вид реле;

- описание конструкции и принципа действия реле;

- технические данные реле РЭВ-800.

- ответы на контрольные вопросы.

2. Краткие теоретические сведения

Временем срабатывания реле считают промежуток времени от момента включения катушки до момента замыкания контактов. Различают: время срабатывания на включение, протекающее с момента включения катушки до момента замыкания замыкающих контактов; время срабатывания на отключение (время отключения или возврата), протекающее с момента отключения катушки до момента замыкания размыкающих контактов.

Время срабатывания электромагнитного реле складывается из двух частей:

t_ср = t _тр.+ t_д,

где t_тр. – время трогания, т. е. время с момента подачи импульса на катушку электромагнита (на включение ее или отключение) до момента начала движения якоря;

t_д – время движения якоря до полной его остановки.

Увеличение времени срабатывания осуществляется путем увеличения времени трогания (достигается с помощью магнитного демпфирования) и времени движения (достигается с помощью механического демпфирования).

В электромагнитных реле времени серии РЭВ-800 замедление достигается с помощью магнитного демпфирования, т. е. воздействия на скорость изменения магнитного потока. При этом используются магнитные потоки, создаваемые вихревыми токами, которые появляются в массивных деталях магнитной системы при изменении основного магнитного потока. Для этого на магнитопровод 1 реле надевают металлические гильзы или шайбы (рис. 1). При изменении основного магнитного потока Ф₀, созданного током катушки 3, в гильзе 2 наводятся вихревые токи. Магнитный поток, созданный вихревыми токами, имеет направление, препятствующее изменению основного потока. Когда основной поток
уменьшается, направление потока от вихревых токов Ф_в совпадает с ним (рис. 1).

Эффективность этого метода тем больше, чем больше абсолютная величина основного потока. Поэтому наибольшее замедление можно получить при отключении электромагнита, когда воздушные зазоры в магнитной системе малы, а магнитный поток максимален. При отключении катушки электромагнита начинает уменьшаться магнитный поток. Когда он достигнет значения потока отпадания Ф_от, начинается движение якоря.

Скорость уменьшения магнитного потока определяется постоянной времени реле, которую с допущениями можно определить по формуле

= Λ/R_э,

где Λ – результирующая магнитная проводимость системы, Гн;

R_э – электрическое сопротивление короткозамкнутой гильзы, Ом.

На рис. 2 представлен характер изменения потока при отключении реле. Кривая 1 относится к условиям, когда на магнитопроводе нет короткозамкнутой гильзы. Когда гильза надета на магнитопровод, поток спадает медленнее (кривая 2) и время отключения реле увеличивается при неизменном потоке отпадения ( t₂^/>t₁^/ и t₂^//>t₁^//)

Регулировать выдержку времени при отпускании реле можно разными способами.

При изменении толщины немагнитной прокладки изменяется
результирующая магнитная проводимость системы и постоянная времени. Чем тоньше немагнитная прокладка, тем больше магнитная проводимость и постоянная времени. Выдержка времени при этом увеличивается. При изменении сопротивления короткозамкнутых гильз или шайб также изменяется постоянная времени: чем меньше сопротивление гильз, тем больше выдержка времени.

При изменении натяжения противодействующей пружины изменяется электромагнитная сила (соответственно и магнитный поток), при которой якорь отпадает. Если пружина ослаблена, то поток отпадания Ф_от^// меньше, чем при затянутой пружине Ф_от^/, а время отключения больше t₁^//>t₁^/ и t₂^//>t₂^/.

Для того чтобы выдержка времени реле не зависела от значения питающего напряжения, магнитная цепь делается сильно насыщенной. Поэтому снижение напряжения до 60% от номинального не вызывает заметного изменения выдержки времени.

Общий вид исследуемого реле серии РЭВ-800 представлен на рис. 3. Магнитопровод реле выполнен из низкоуглеродистой стали, и состоит из сердечника 7 и скобы 9. Основание магнитной системы 1 залито алюминиевым сплавом и создает дополнительный контур для вихревых токов, что приводит к увеличению выдержек времени. На скобе 9 крепится пластинка 11 и угольник 12, образуя призматическую опору якоря 6, что повышает его механическую износостойкость. Катушка реле 8 устанавливается на сердечник и. закрепляется кольцом 4. На сердечнике и скобе магнитной системы устанавливаются съемные демпферы 2 и 17 из алюминия или меди.

Противодействующее усилие создается пружиной 16, регулировка натяжения этой пружины производится гайкой 13. Для осуществления плавной регулировки выдержки времени на якоре установлен регулировочный узел 8. Между якорем и сердечником установлена немагнитная прокладка 5.

На якоре укреплена скоба 10, несущая колодку с подвижными
контактами 14. Узел неподвижных контактов 15 крепится на магнитной системе. Контакты имеют конструкцию, позволяющую производить их пересборку.

3. Технические данные реле

Реле изготовляются с втягивающими катушками на номинальные напряжения 24, 48, 110, 220 В.

Реле должно притягивать якорь без остановок подвижной системы в промежуточном положении при напряжении 01,856 U_ном.

Пределы регулировки выдержки времени при отключении катушки 0,8-2,5 с.

Потребляемая мощность катушки не более 25 Вт.

Точность по времени срабатывания ±10% при окружающей температуре (20±5)°С и напряжении на катушке не менее 60% от номинального.

Номинальный ток контактов 10 А.

4. Контрольные вопросы

1. Что называется временем срабатывания реле?

2. В чём заключается принцип магнитного демпфирования?

3. От чего зависит скорость изменения магнитного потока?

4. От чего зависит постоянная времени реле?

5. Как влияет на выдержку времени замена медного демпфера алюминиевым?

6. Как влияет на выдержку времени увеличение температуры среды?

7. Каково назначение массивного основания реле?

8. Как влияют на выдержку времени толщина немагнитной прокладки и затяжка противодействующей пружины?

Лабораторная работа № 5

«Реверсирование двигателей переменного тока»

Цель работы: научиться собирать электрическую схему управления асинхронным двигателем в двух направлениях вращения.

Порядок выполнения работы

1. Подключение и пуск асинхронного трёхфазного двигателя

1. 1. Соберите установку согласно принципиальной и монтажной схемам (рис. 1, рис. 2).

   2. Подключите тормозное устройство, так, чтобы двигатель не был нагружен.

   3. Включите двигатель и наблюдайте за ним (в какую сторону вращается двигатель).

   4. По измерительным приборам определите U_фаз и I_фаз в направлении вращения по часовой стрелке.

Внимание!

Внимание!

Указание!

2. Реверсирование направления вращения

2.1 Выключите двигатель и соберите схему подключения асинхронного двигателя согласно рис.3.

2. 2. Включите двигатель и наблюдайте за ним (в какую сторону вращается двигатель).

2.3 По измерительным приборам определите u_фаз и I_фаз в направлении вращения асинхронного двигателя против часовой стрелки.

Внимание!

3. Ответьте на вопросы:

   1. Двигатель вращается по часовой стрелке. По какой схеме и почему?

   2. Двигатель вращается против часовой стрелке. По какой схеме и почему?

   3. Выключите двигатель и измените его подключение согласно следующей схеме.

4. Вывод

Поясните, каким образом можно изменить направление вращения асинхронного трёхфазного двигателя?

• Поменять местами две соседние фазы.

• Только поменять местами фазы в линиях L2 и L3.

Рисунок 1 – Монтажная схема реверсирования направления вращения асинхронного двигателя

Рисунок 2 – Электрическая принципиальная схема реверсирования направления вращения асинхронного двигателя

Лабораторная работа №6

«Исследование усилителя»

Цель работы: Собрать схему электронного усилителя, исследовать её в работе, оформить отчёт по данным экспериментам.

Материальное обеспечение: 1) Универсальный стенд «ЛУЧ-2»

2) Панель-схема №14

3) Провода

4) Триод МП-40

5) Сопротивления: R₁ = 22 кОм, R₂ = 2 кОм, R₃ = 1 кОм, R₄ = 200 Ом, R₅. = 2,4 кОм

6) Конденсаторы: С₁ = С₂ = 0,1 мкф; С₃ = 5 мкф; С₄ = 0,1 мкф

Схема соединения:

Зарисовать панель-схему №14

Содержание работы:

В лабораторной работе исследуется универсальный каскад низкой частоты УНЧ или УВЧ. Его структурная схема имеет вид:

I_вх I_вых

E_p R_н

U_вх U_вых

УЭ

P_вх P_вых

P₀

Источник

питания

Где E_p - источник слабого электрического сигнала

U_вх - входное напряжение

I_вх - входной ток

P_вх - входная мощность

УЭ - усилительный элемент - в данной работе биполярный транзистор

P₀ - мощность источника питания

P_н - нагрузка на усилительный каскад

U_вых, I_вых, P_вых - выходное значение напряжения, тока, мощности.

Усилитель низкой частоты предназначен для усиления электрических сигналов в некоторой полосе частот.

В данной работе исследуются его амплитудно-частотная характеристика. Амплитудно-частотная характеристика АХЧ - графически изображает зависимость коэффициента усиления К% от f при U_BХ ⁼ const. При этом коэффициент усиления можно рассчитать по формуле:

Амплитудно-частотная характеристика имеет вид:

K

f кГц

f_н f_ср f_в

Из АЧХ следует важный вывод о наибольшем коэффициенте усиления и его стабильности в зоне средних частот f_ср, что снижает линейные искажения в работе усилителя.

Порядок выполнения работы:

1. Ознакомиться со стендом, панель-схемой, приборами, записать их технические данные в таблицу 1, тумблеры на блоке питания поставить в нижнее положение – ВЫКЛЮЧЕНЫ.

Потенциометры генераторов ГТ, ГН1, ГН2, ГНЗ, ГПИ, ГНЧ, ГВЧ - поставить в крайнее левое положение, включить шнур питания в розетку 220 В.

Таблица 1

Заводской номер

2. Поставить элементы усилителя согласно схеме на панель-схемы № 14.

3. Соединить проводами ГНЧ с гнездами усилителя.

Для чего: ГНЧ 1:1 соединить с X1

ГНЧ соединить с X2

4. Соединить проводами ГН2 с гнёздами –

Для чего: ГН2 «+» соединить с X8 «+»

ГН2 «–» соединить с «–» Ec.

5. Тумблер АМВ2-МВ поставить в положение МВ. Переключатель рода работы поставить в положение 5 В.

6. Переключатель рода работы ИВ (Измеритель выхода) поставить в положение «25В ГН2», соединить гнезда ХЗ с гнездами f, XI4 соединить с .

7. Переключатель рода работ блока ЧМ поставить в положение 1 кГц. Включить тумблеры на блоке питания: ГПИ, ГНЧ, MB, ЧМ. Включить сеть и потенциометрами ГН2 «Грубо», «Точно» - установить напряжение 10 В (по вольтметру измерителя выхода).

8. Переключить переключатель работ ИВ с «25В» ГН2 на ЧМ.

9. Установить диапазон частот на ГНЧ 1 кГц.

Потенциометр ГНЧ «Амплитуда» поставить в правое крайнее положение.

10. Соединить проводами MB с выходом усилителя: MB ~ с 1, MB с Х7

11. Отсоединить конденсатор С₁ отсоединить провод с гнезда «1» и соединить его с гнездом «+» С₁.

12. Потенциометром ГНЧ «Амплитуда» установить входное напряжение.

13. Поставить конденсатор С₁ на место, а провод соединить с гнездом «1».

Изменяя частоту на ГНЧ потенциометром «Частота» установить частоты: 0,2:

0,4: 0,6: 0,8: 1: 2: 4: 6: 8: 10: 20: 30: 40: 60: 80: 100 кГц и значение выходного сигнала записывать в таблицу 2.

Таблица 2

U_BX

400 мВ

f, кГц

0,2

0,4

0,6

0,8

1

2

4

6

8

10

20

30

40

60

80

100

U_BЫX

К

14. По полученным данным построить график зависимости коэффициента усиления К от частоты f при U_BX = const.

15. Сделать вывод о практическом использовании усилителей в технике.

16. Составить отчет и предъявить его руководителю на следующем занятии.

Контрольные вопросы:

1. Что называется усилителем?

2. Что такое коэффициент усиления?

3. Какие искажения называют частотными, фазовыми, нелинейными?

Лабораторная работа №7

«Исследование электронного стабилизатора»

Основные понятия

Стабилизаторами напряжения (тока) называются устройства, поддерживающие постоянство напряжения (тока) на входе потребителя электроэнергии при изменении напряжения питания или сопротивления потребителя. Общим показателем всех стабилизаторов является коэффициент стабилизации. Для стабилизаторов напряжения:

,

(1)

где и – напряжения на входе и выходе стабилизатора, и – изменения напряжений на входе и выходе стабилизатора. Аналогично, для стабилизаторов тока

,

(2)

Существуют несколько методов стабилизации: параметрический, компенсационный и смешанный.

1. В стабилизаторах, использующих параметрический метод, изменения входного напряжения или тока вызывают такие изменения параметров стабилизирующего элемента, что выходное напряжение (или ток) стабилизатора остается неизменным. К параметрическим методам относятся те, в которых используются стабилитроны (стабиловольты), бареттеры, феррорезонансные цепи и другие нелинейные элементы.

2. Компенсационные методы стабилизации основаны на том, что величина выходного напряжения (тока) сравнивается с эталонным напряжением (током), и разностное напряжение (ток) так воздействует через обратную связь на исполнительный элемент, что при этом компенсируются происшедшие изменения выходного напряжения (тока).

3. В смешанных методах стабилизации одновременно используются параметрический и компенсационный методы.

2. Параметрические методы стабилизации

2.1. Стабилизация напряжения с помощью полупроводникового стабилитрона.

Стабилитрон – это диод специальной конструкции, в котором при определенном обратном напряжении происходит обратимый электрический пробой. Его вольт-амперная характеристика изображена на рис. 1, схема подключения на рис. 2.

Сопротивление и сопротивление стабилитрона образуют делитель напряжения, причем на участке пробоя сопротивление стабилитрона с ростом величины тока уменьшается. Исходя из номинального значения () сопротивление выбирают таким, чтобы ток через стабилитрон имел значение . Если произойдет изменение входного напряжения, то ,

(3)

При этом очень мало, и практически все приходится на балластный резистор . Тем самым напряжение на нагрузке стабилизируется, если не превышает таких значений, при которых не выходит за пределы интервала . При меньших значениях тока стабилизация прекращается (напряжение на нагрузке падает), при больших значениях происходит необратимый тепловой пробой перехода и стабилитрон выходит из строя. Аналогично устроены и стабилизаторы с использованием газоразрядной лампы-стабиловольта.

1.2. Стабилизация тока с помощью бареттера.

Бареттер состоит из железной или вольфрамовой проволоки, помещенной в стеклянный баллон, наполненный водородом. При протекании тока через бареттер его сопротивление возрастает вследствие нагрева проволоки. Водород используют из-за его высокой теплоемкости, обеспечивающей хорошее охлаждение проволоки. Вольтамперная характеристика бареттера приведена на рис. 3, схема включения – на рис. 4:

Рис. 3.

Рис. 4.

1.3. Стабилизация с помощью термисторов.

Термисторы (термосопротивления) делают на основе полупроводников. Они отличаются сильной зависимостью сопротивления от температуры, оно меняется по закону

(4)

где – абсолютная температура термосопротивления, – температурный коэффициент. Обычно . Одна из схем стабилизатора напряжения на основе термистора приведена на рис. 5:

Рис. 5.

При увеличении входного напряжения возрастает ток через термистор , он нагревается, уменьшается его сопротивление и сопротивление участка . Элементы схемы подбираются так, что при этом падение напряжения на нагрузке почти не изменяется. Избыток входного напряжения падает на балластном резисторе .

1.4. Электромагнитные стабилизаторы напряжения.

Для стабилизации переменных напряжений часто используют схемы с насыщенными дросселями. Одна из них представлена на рис. 6. Вольтамперная характеристика насыщенного дросселя приведена на рис. 7:

Рис. 6.

Рис. 7.

Принцип работы схемы – такой же, как и у схемы на стабилитроне. Дроссель Др2 – насыщенный, балластный дроссель Др1 – ненасыщенный, он имеет линейную вольтамперную характеристику. Др1 можно заменить на существующий балластный резистор, но при этом возрастут активные (омические) потери.

1.5. Стабилизаторы на электронных лампах.

Используются обычно в цепях постоянного тока, бывают с параллельным и последовательным включением лампы и нагрузки. Схема стабилизатора с параллельным включением приведена на рис. 8:

Рис. 8.

Пусть напряжение на входе изменилось на величину . Тогда ток в сопротивлениях и изменится, и тогда изменение потенциала сетки лампы будет равным . Вследствие изменения потенциала управляющей сетки произойдет изменение анодного тока лампы на величину

где – крутизна анодно-сеточной характеристики лампы. Так как анодный ток протекает по сопротивлению , то на нем изменяется падение напряжения на величину

Если подобрать элементы стабилизатора таким образом, чтобы выполнялось равенство , то тогда . Т.к. , то – напряжение на нагрузке при изменении входного напряжения не изменилось.

2. Смешанные стабилизаторы напряжения.

Рассмотрим работу двух транзисторных схем, изображенных на рис. 7 а, б:

Рис. 7.

В схеме а) напряжение база-эмиттер транзистора V₁ стабилизировано стабилитроном V₂. Следовательно, постоянными являются базовый, коллекторный и эмиттерный токи транзистора V₁. Тогда, несмотря на изменение входного напряжения, которое является коллекторным напряжением V₁, ток эмиттера остается постоянным, а значит, постоянным остается и выходное напряжение, приложенное к нагрузке.

В схеме б) часть выходного напряжения снимается с резистора и сравнивается с опорным напряжением стабилитрона V₃. Разностное напряжение приложено к базе управляющего транзистора V₂, и всякое его изменение приводит к изменению базового тока, а, следовательно, и коллекторного тока транзистора V₂, который является в свою очередь базовым током регулирующего транзистора V₁. В результате внутреннее сопротивление транзистора V₁ изменяется так, что компенсируется изменение выходного напряжения.

Рассмотрим конкретный пример, когда входное напряжение возрастает. Выходное напряжение первоначально также возрастает. Возрастает напряжение на резисторе . Возрастает базовое напряжение и ток через транзистор V₂. Рост коллекторного тока транзистора V₂ приводит к уменьшению его коллекторного напряжения, так как , и к уменьшению базового напряжения V₁. Следовательно, ток базы регулирующего транзистора V₁ тоже уменьшается, уменьшаются его коллекторный и эмиттерный токи, т.е., транзистор V₁ подзапирается – его сопротивление возрастает. Тем самым рост входного напряжения компенсируется (на такую же величину возрастает падение напряжения на транзисторе V₁), и выходное напряжение остается постоянным.

Выполнение работы

Задание 1. Изучение работы двухполупериодного выпрямителя

1. Установить на стенд сменную плату № 10. В гнёзда V1, V2, V3, V4 установить диоды КД 103. Гнездо «IN» соединить с гнездом «», а гнездо «2» с гнездом «ОБЩ» источника «ИП» (в левом нижнем углу стенда). Включить тумблер «сеть» стенда и осциллограф. Получить и зарисовать осциллограммы сигналов на выходе и входе двухполупериодного выпрямителя.

2. Дополнительно установить: в гнёзда R1 – перемычку, в гнёзда V5 – резистор . С помощью осциллографа измерить размах переменной составляющей сигнала на резисторе для трёх случаев:

а) в гнёздах С1 и С2 ничего нет;

б) в них установлен один из конденсаторов ёмкостью ;

в) в них установлены два конденсатора по .

3. Повторить измерения пункта 2 в) с другими резисторами в гнёздах V5 – соответственно величиной и .

На основании измерений пунктов 2 и 3 сделать вывод о зависимости эффективности подавления переменной составляющей напряжения питания от ёмкости конденсаторов фильтра и величины нагрузки.

Задание 2. Изучение параметрического стабилизатора на стабилитроне.

1. Выключить стенд и осциллограф. Вынуть все детали из гнёзд.

2. Установить следующие детали: в гнёзда R1 – сопротивление , в гнёзда С2 – сопротивление нагрузки , в гнёзда V5 – стабилитрон КС 139А. Гнездо Х3 соединить с гнездом «+», а гнездо Х4 – с гнездом «–» источника «ГН 2 » (расположен в нижней части стенда). Гнёзда С1 соединить, соблюдая полярность, с измерителем АВМ 1 (в правом верхнем углу стенда), установив его переключатель пределов измерений в положение «». Напряжение на нагрузке измеряется вольтметром М 1108, на котором установлен предел измерений «».

Выключить стенд и получить зависимость выходного напряжения от входного. Построить соответствующий график и определить по нему коэффициент стабилизации.

3. Повторить вышеуказанный эксперимент для сопротивления нагрузки и .

Задание 3. Изучение стабилизатора смешанного типа.

1. Установить на стенде сменную плату № 11.

2. Установить на плате следующие детали: в гнёзда R1 – резистор , R2 – , R3 – , R4 – потенциометр , R5 – , R6 – , V5 и V6 – транзисторы МП 40А, V7 – стабилитрон КС 139 А. Гнёзда Х3 соединить с гнездом «–», а Х4 – с гнездом «+» источника «ГН 2 ». Соединить между собой гнёзда Х9 и Х10. Подключить к нагрузке, соблюдая полярность вольтметр М 1108.

3. Включить питание стенда. Подобрать положение ручки потенциометра R4, при котором наблюдается стабилизация выходного напряжения стабилизатора. Изменяя напряжение источника «ГН 2 » (контроль величины – по измерителю АВМ 1), получить зависимость выходного напряжения стабилизатора от входного. Построить соответствующий график и определить по нему коэффициент стабилизации.

4. Провести аналогичные эксперименты для сопротивления нагрузки и.

Практическое занятие №1

«Исследование трансформаторной и индикаторной схемы включения сельсинов»

Цель работы

Целью работы является изучение конструкций и принципа действия сельсинов, исследование характеристик сельсинов и систем синхронной связи на их основе.

Описание лабораторной установки

Установка содержит лабораторный стенд и два бесконтактных однофазных сельсина. На статоре каждого сельсина укреплен лимб с делениями. На валу каждого сельсина установлены шкив и стрелка для измерения положения. На одном из сельсинов установлен механический тормоз.

Трехфазная и однофазная обмотки каждого сельсина соединены с гнездами на лицевой панели стенда. К гнездам на стенде также подводится однофазное переменное напряжение 110 В и трехфазное напряжение величиной 27 В. Подача напряжения на данные гнезда обеспечивается тумблером, расположенным в левой части стенда.

В стенде имеются нагрузочные резисторы. Изменения осуществляются с помощью двухканального осциллографа.

Предварительное задание

Изучить назначение, варианты конструкции и схемы включения сельсинов. Изучить устройство лабораторной установки.

Рабочее задание

Исследование сельсина в режиме фазовращателя

Подключить трехфазную обмотку одного из сельсинов к источнику трехфазного напряжения. Первым каналом осциллографа измерять напряжение питания, вторым каналом – напряжение однофазной обмотки. Снять зависимость сдвига фаз между осциллографируемыми напряжениями от угла поворота ротора .

Угол изменять от 0 до 360 через каждые 30.

Построить график зависимости = f().

Исследование сельсина в трансформаторном режиме

Подключить однофазную обмотку одного из сельсинов к источнику однофазного напряжения. Первый канал осциллографа подключить к однофазной обмотке, второй канал – к любым двум выводам трехфазной обмотки. Снять зависимость амплитуды линейного напряжения трехфазной обмотки U_mл от угла .

Угол изменять от 0 до 360 через каждые 30.

Построить график зависимости U_mл от .

Исследование индикаторной системы синхронной связи

Собрать схему в соответствии с рис.1.2. После проверки схемы преподавателем включить напряжение питания и убедиться в работоспособности системы, поворачивая за шкив ротор одного из сельсинов.

Затормозить ротор одного из сельсинов. На шкиве другого сельсина закрепить нить для подвешивания груза. Снять зависимость синхронизирующего момента системы М_с от угла рассогласования , подвешивая к нити грузы разного веса Р_г. результаты измерения занести в таблицу.

, град

Р_г, г

М_с, Нм

Рассчитать М_с, учитывая, что радиус шкива 2 см. Построить график М_с = f(). Определить по графику удельный синхронизирующий момент.

Исследование трансформаторной системы синхронной связи

Собрать схему в соответствии с рис.1.3, используя в качестве СД сельсин с тормозом. Первый канал осциллографа подключить к однофазной обмотке СД, а второй – к однофазной обмотке СП. Затормозить ротор СД.

Снять зависимость амплитуды напряжения однофазной обмотки U_mу от угла рассогласования . Угол изменять от 0 до 360 через каждые 30.

Зарисовать исследуемую схему. Построить график U_mу = f(). По данному графику определить крутизну S_Т.

Оформить отчет по работе и подготовиться к защите

Отчет должен содержать название и цель работы, схемы опытов, таблицы опытных данных, графики полученных характеристик, выводы о соответствии экспериментальных данных и теоретических сведений.

Контрольные вопросы

1. Конструкции контактных и бесконтактных сельсинов.

2. Схемы включения и характеристики сельсинов при их использовании в качестве датчиков положения.

3. Принцип действия индикаторной системы синхронной связи.

4. Схема и принцип действия трансформаторной системы синхронной связи.

Практическое занятие №2

«Исследование дифференцирующих и интегрирующих цепей»

Цель работы - Исследование электрических процессов при прохождении импульсов прямоугольной формы через дифференцирующие и интегрирующие цепи.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

При приложении к входу линейной цепи синусоидального напряжения на всех ее элементах также будет синусоидальное напряжение. Если же на входе линейной цепи, содержащей частотно-зависимые элементы (например, конденсатор, индуктивная катушка), действует напряжение, представляющие собой сумму гармоник разных частот, то форма напряжения на ее элементах не повторяет форму входного напряжения.

Это объясняется тем, что гармоники входного напряжения по-разному пропускаются этой цепью. При этом соотношении между их амплитудами, а также фазами на входе цепи и ее элементах неодинаковы. Данное свойство используется при формировании импульсов с помощью линейных цепей. Свойства линейных цепей с частотно-зависимыми элементами используются при построении дифференцирующих и интегрирующих цепей.

Для анализа взаимодействия цепи, содержащей емкость и сопротивление с электрическим сигналом, представляющим собой сумму нескольких гармонических составляющих, рассматривается изменение напряжения U и тока I во времени.

Представим, что конденсатор, предварительно заряженный до напряжения U, присоединяется к резистору R таким образом, что образуется цепь, показанная на рисунке 2.1.

Тогда

Это выражение представляет собой дифференциальное уравнение, решение которого имеет вид:

Отсюда следует, что если заряженный конденсатор подключить к резистору, то он будет разряжаться так, как показано на рисунке 2.2.

Произведение RC называют τ постоянной времени. Если R измерять в омах, а C – в фарадах, то их произведение будет измеряться в секундах.

Пусть в момент времени t₀ на вход цепи, показанной на рисунке 2.3, подается постоянное напряжение U_вх = const. Уравнение, описывающее процесс заряда конденсатора, выглядит таким образом:

и имеет решение .

Коэффициент A можно определить из начальных условий (см.рис.2.4):

U_c = 0 и t = 0

откуда A = - U_вх

Рассмотрим процесс передачи идеального прямоугольного импульса (т.е. сигнала, содержащего бесконечный набор гармоник), у которого как фронт, так и срез имеют большую крутизну через цепь, показанную на рис. 2.3. В зависимости от величины постоянной времени цепи (RC) возможны четыре случая:

1. Воздействие прямоугольного импульса на проходную цепь.

В этой цепи постоянная времени R•C должна быть значительно больше длительности импульса t_и, который на нее воздействует.

Напряжения заряда и разряда описываются соответственно выражениями:

В то же время

Поскольку постоянная времени RC проходной цепи большая, в цепи заряда будет протекать малый ток, конденсатор за время действия импульса зарядится до небольшого напряжения.

Так как t_u<C, заряд-разряд конденсатора протекает практически на линейном участке, и напряжение U_с (см. рис. 2.5) также является линейно изменяющимся. Из рис. 2.5 видно, что сигнал на резисторе U_r имеет завал вершины в пределах действия входного импульса, поскольку

После прекращения действия входного импульса конденсатор разряжается на резистор и на нем формируется импульс отрицательной полярности. Чем больше будет постоянная времени RC, тем меньше будет завал вершины импульса напряжения, выделяющегося на резисторе во время действия входного импульса и амплитуда импульса отрицательной полярности, формирующийся на резисторе за счет разряда конденсатора после окончания входного импульса.

Таким образом, для неискаженной передачи импульсов через проходную цепь необходимо выбирать постоянную времени, значительно превышающую длительность входного импульса.

2. Воздействие прямоугольного импульса на R•C-цепь, у которой RC=t_u.

Поскольку постоянная времени RC-цепи равна длительности воздействующего на нее импульса, то за время действия импульса конденсатор успеет зарядиться до напряжения составляющего 0,63U_a, поскольку:

Поскольку входное напряжение импульса распределяется между двумя элементами: конденсатором C и резистором Rпадение напряжения на последнем можно определить по второму закону Кирхгоффа:

и при t=t_u напряжение U_r будет составлять 0,37U_a (рис.2.6). Зарядившийся до напряжения 0,63U_a конденсатор после прекращения действия входного импульса t>t_u начнет разряжаться на резистор Rформируя экспоненциальный импульс отрицательной полярности, превышающий по амплитуде такой же импульс, рассмотренный в первом случае.

3. Воздействие прямоугольного импульса на цепь, у которой

t_u=5RC

За время 5RC переходные процессы в RC-цепи практически заканчиваются. Это значит, что конденсатор успевает зарядиться до напряжения 0,995•U_a и за такое же время успевает разрядиться до 0,005•U_a. Как следует из рис. 2.7, ток заряда - разряда конденсатора на резисторе R формирует экспоненциальные импульсы одинаковой амплитуды и длительности положительной полярности при заряде конденсатора и отрицательной полярности при его разряде.

4. Воздействие прямоугольного импульса на цепь, у которой

t_u>>5RC

Вследствие того, что t_u>>5RC, а переходные процессы в RC-цепи заканчиваются за время 5RC, то за время действия входного импульса конденсатор успевает зарядиться до уровня U_a входного импульса напряжения, а затем

U_c (t) = const = U_a

до окончания действия импульса. Форма напряжений U_c (t) и U_r (t) показана на рис. 2.8. Как видно из рисунка длительность импульсов напряжения U_r(t) значительно меньше длительности входного, поэтому такие цепи являются и укорачивающими.

ДИФФЕРЕНЦИРУЮЩАЯ ЦЕПЬ

Рассмотрим схему, показанную на рис. 2.9. Напряжение на конденсаторе С в любой момент времени может быть определено по второму закону Кирхгофа:

, поэтому

Если резистор и конденсатор выбрать так, чтобы сопротивление R и емкость С были достаточно малыми и выполнялись условия:

то или

Таким образом, мы получили, что выходное напряжение пропорционально скорости изменения входного сигнала.

Для того, чтобы выполнялось условие , произведение RС должно быть небольшим, но при этом сопротивление R не должно быть слишком маленьким, чтобы не перегружать источник сигнала. Дифференцирующие цепи удобно использовать для выделения фронта и среза импульсных сигналов.

ИНТЕГРИРУЮЩАЯ ЦЕПЬ

Рассмотрим схему, показанную на рис. 2.10. Напряжение на резисторе R на основании второго закона Кирхгофа равно U_вх-U_вых, следовательно:

Если обеспечить выполнение условия за счёт большого значения призведения R С, то получим:

или

Таким образом, схема интегрирует входной сигнал по времени. Рассмотрим каким образом эта схема обеспечивает интегрирование в случае сигнала прямоугольной формы. U_вых(t) представляет собой график экспоненциальной зависимости, определяющей заряд конденсатора (см.рис. 2.11). Начальный участок экспоненты – прямая с углом наклона, определяемый её постоянной времени, причем, чем больше постоянная времени, тем ближе форма сигнала к линейно нарастающей, т.е. на этом участке выходной сигнал будет иметь значение, близкое к точному значению определенного интеграла от входного сигнала.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1. Рассчитать постоянную времени RC-цепи по номиналам элементов, выданных преподавателем.

2. Исследовать прохождение импульса прямоугольной формы через дифференцирующую цепь при длительности импульса 10•(RC), 5•(RC), (RC) и 0.1•(RC). Зарисовать и пояснить осциллограммы выходного сигнала дифференцирующей цепи.

3. Исследовать прохождение импульса прямоугольной формы через интегрирующую цепь при длительности импульса 10•(RC), 5•(RC), (RC) и 0.1•(RC).

Зарисовать и пояснить осциллограммы выходного сигнала интегрирующей цепи.

Примечание: при выполнении п. 2 на вход цепи подавать импульсивную последовательность со скважностью Q=2.

При выполнении п. 3 подбирать экспериментально 5<Q<15.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Объясните физические процессы, происходящие в дифференцирующей цепи при воздействии на нее монополярных прямоугольных импульсов напряжения.

2. Как изменяется форма напряжения на выходе дифференцирующей цепи, если изменять сопротивление, емкость цепи, длительность и период повторения прямоугольных импульсов на входе?

3. В чем отличие проходной цепи от дифференцирующей?

4. Объясните физические процессы, происходящие в интегрирующей цепи при воздействии на ее вход прямоугольных монополярных импульсов напряжения.

5. Запишите формулу для определения амплитуды импульсов на выходе интегрирующей RC-цепи при воздействии на нее прямоугольных импульсов.

6. Как будет изменяться форма выходного сигнала интегрирующей цепи, если изменить сопротивление цепи, емкость, длительность и период повторения входных импульсов?

Практическая работа №3

«Исследование ограничителей амплитуды»

Цель работы: ознакомиться с теоретическими основами принципа действия ограничителей амплитуды и их качественное изучение с помощью измерительных приборов.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Ограничители амплитуды-устройства, напряжение на выходе которых U_вых пропорционально входному напряжению U_вх до тех пор, пока последнее не достигает некоторого уровня, называемого порогом ограничения, после этого U_вых остаётся постоянным, несмотря на изменение U_вх.

Чтобы пропорциональность между U_вых и U_вх имела место только на некотором участке, характеристика ограничителя U_вых = f(U_вх) обязательно должна быть нелинейной. Поэтому необходимой деталью ограничителя является нелинейный элемент - обычно полупроводниковый диод.

На рис.1 показаны амплитудные характеристики ограничителей с разными порогами ограничения. Напряжение на выходе ограничителя с характеристикой, изображённой на рис. 1а, следует за входным напряжением, пока последнее не превысит уровня V_огр. Дальнейшее увеличение U_вх не вызывает изменений U_вых. Такой вид ограничения называется ограничением по максимуму или ограничением сверху.

На рис. 1б и 1в показаны характеристики, обеспечивающие соответственно ограничению по минимуму (снизу) и двустороннему с уровнями ограничения Уогр и Уогр₂.

Часто ограничители используются для формирования трапецеидальных импульсов из синусоидального напряжения при двустороннем ограничении (рис. 1в). Чем больше амплитуда V_m и частота f синусоидального напряжения, тем круче нарастает синусоида - тем меньше длительность фронтов 1ф выходных импульсов.

Она дополнительно уменьшается с уменьшением порога ограничения V_огр. Величину t_ф обусловленную только тем, что импульс формируется из синусоиды можно определить (рис. 2)

При изучении диодных ограничителей следует исходить из того, что практически диод проводит ток, когда потенциал его анода выше потенциала катода. Работу диодных ограничителей будем рассматривать при воздействии на вход синусоидального напряжения.

В зависимости от способа соединения нагрузки и диода различают последовательные и параллельные диодные ограничители.

Она дополнительно уменьшается с уменьшением порога ограничения V_огр. Величину t_ф обусловленную только тем, что импульс формируется из синусоиды можно определить (рис. 2).

При изучении диодных ограничителей следует исходить из того, что практически диод проводит ток, когда потенциал его анода выше потенциала катода. Работу диодных ограничителей будем рассматривать при воздействии на вход синусоидального напряжения.

В зависимости от способа соединения нагрузки и диода различают последовательные и параллельные диодные ограничители.

Ограничитель с нулевым порогом ограничения

Схема такого ограничителя приведена на рис.3а. Из неё следует, что входное напряжение U_вх распределяется между диодом VD₁ и резистором R_н. От соотношения их сопротивлений зависит, какая часть U_вх выделяется на выходе.

Сопротивление диода в прямом (пропускном) направлении (R_пр) много меньше сопротивления резистора нагрузки (R_н). Поэтому положительная полуволна напряжения U⁺_вх практически полностью выделяется на выходе.

Сопротивление диода в обратном (непропускном) направлении R_обр много больше R_h . Поэтому отрицательная полуволна U^-_вх практически полностью выделяется на диоде и U_вых ~ 0.

Из сказанного следует, что диодный ограничитель можно рассматривать как устройство с переменным коэффициентом передачи (К_пер) входного напряжения на выход. Пока U_вх не достигает порога ограничения, т.е. U_вых ~ U_вх. После достижения порога ограничения, т.е. U_вых ~ 0.

На рисунке3 изображены кривые напряжений U_вх и U_вых, иллюстрирующие работу ограничителя (рис.3а). Сопротивление R_пр имеет небольшое значение (R_пр << R_н), но не равно нулю; поэтому незначительная часть U⁺_вх всё-таки выделяется на диоде и U⁺вых несколько меньше U⁺_вх. Неравенство R_обр >> R_h является более сильным; поэтому при действии U^-_вх напряжение U_вых на рис.3б показано равным нулю.

Ограничение сверху с нулевым порогом можно получить, изменив направление включения диода (рис. 3в,г).

Рисунок 3

Ограничитель с ненулевым порогом ограничения

Для получения порога ограничения, отличного от нуля, последовательно с нагрузкой включают источник постоянного напряжения Е (рис. 4).

В схеме, изображённой на рси.4а при отсутствии входного сигнала источник Е так, что сообщает катоду диода VD₁ отрицательный потенциал, анод диода через источник входного напряжения соединяется с положительным зажимом E, так что диод смещается в прямом направлении. В результате до поступления входного напряжения диод открыт и через резистор R_h протекает ток, создавая на нём напряжение с полярностью, указанной на рисунке.

Если пренебречь сопротивлением источника и по -прежнему считать R_h >> R_np, то основным сопротивлением в цепи будет R_h, поэтому до момента действия U_вх напряжение U_RH ~ E и U_ых = U_RH- E ~ 0.

Положительная полуволна U_вх действует согласно Е и почти целиком (R_h >> R_огр) выделяется на резисторе R_н. Поэтому U_RH = E + U_вх и U_вых = U_RH - E = U_вх, т.е. выходное напряжение, начиная нарастать от нуля, повторяет все изменения входного напряжения.

При действии отрицательной полуволны U_вх источники Е и U_вх оказываются включёнными встречно, так что результирующее напряжение в цепи U = E – U_вх

Пока напряжение Е - U_BX положительное, диод смещён в прямом направлении, он проводит ток и напряжение на выходе равно входному.

В некоторый момент напряжение нарастающей отрицательной полуволны и_вх достигает значения равного Е. При этом диод запирается и дальнейшее увеличение и_вх не влияет на выходное напряжение.

Сказанное иллюстрируется кривыми (рис.4а). На них предельные значения потенциала катода (ниже которого он не может быть) U_пр = -Е. Поэтому как только потенциал анода U_вх окажется ниже U_пр, диод запрётся и на выходе установится напряжение U_вых = -Е. Таким образом, рассмотренная схема обеспечивает ограничение снизу с отрицательным порогом V_огр = -Е.

Если в схеме (рис.4а) изменить полярность источника Е и направление включения диода, то получается схема, приведённая на рис.4б. Как и в предыдущей схеме, здесь до момента действия U_вх напряжение на выходе равно нулю. Предельное значение потенциала анода (после запирания диода), выше которого оно не может быть, в этом случае составляет U_пр = Е.

Имея в виду, что потенциал катода равен U_BX, легко прийти к выводу, что входное напряжение, превышающее U_пр, на выход передаваться не будет (см. кривые рис. 4б).

Рассмотрение других соотношений полярности источника Е и направления включения диода несложно.

Комбинируя ограничения сверху и снизу (рис.4а,б), можно получить двусторонний ограничитель (рис.4в), который используется для формирования из синусоидального напряжения трапецеидальных импульсов. Диод VD₁ пропускает положительную полуволну входного напряжения, но ограничивает отрицательную полуволну на уровне Е₁, подобно схеме рис.4,а. Диод VD₂ пропускает с нагрузки R_H1 на выход схемы отрицательную полуволну и ограничивает на уровне Е₂ положительную полуволну (подобно схеме рис.4б).

Временные диаграммы на рис. 4 соответствуют идеальному диоду Rnp = 0, R_обр=∞.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Последовательный ограничитель с нулевым порогом ограничения

1. Включить звуковой генератор Г3-33, осциллограф С1-73 и дать им прогреться в течение 10 минут.

2. Собрать схему по рис. 3а.

3. На генераторе установить параметры: R_вых = 600Ом, f = 1кГц, U_вых = 10В и выводы подключить к клеммам схемы U_вх. Включить внутреннюю нагрузку.

4. Подключить выводы осциллографа к клеммам U_вых. схемы.

5. Выводы «общего провода» (┴) обоих приборов должны быть включены вместе.

6. Получить на экране устойчивое изображение не менее двух полупериодов U_вых. и зарисовать в тетрадь.

7. Измерить значения амплитуд U_BX. и U_вых. с помощью осциллографа и записать их значения.

Примечание: вольтметр генератора измеряет не амплитудное, а действующее значение напряжения, которое меньше в 1,4 раза (U_а = √2 U_д).

8. Поменять местами выводы диода и сделать аналогичные измерения (Рис. 3в), так же сделать рисунки с осциллографа.

Последовательный ограничитель с ненулевым порогом ограничения

1. Собрать схему по рис.4а.

2. Установить регулятор напряжения Е в нулевое положение (против часовой стрелки до упора).

3. Подать сигнал с генератора на вход схемы и на осциллографе получить устойчивое изображение.

4. Плавно увеличивая напряжение Е, наблюдать за изменением ограничения амплитуды.

5. Зарисовать ограниченный сигнал.

6. Поменять выводы диода местами и полярность источника Е. (рис.4б)

7. Сделать аналогичные наблюдения и рисунок.

8. Собрать схему по рис.4в.

9. Изменяя напряжения Е₁ и Е₂ произвольно, наблюдать за формой ограниченного сигнала.

10. Зарисовать два разных (произвольно) вида ограниченного сигнала.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Назначение ограничителей амплитуды сигнала?

2. Что такое порог ограничения сигнала?

3. Как осуществляется ограничение «сверху» и «снизу»?

4. Какие факторы влияют на величину t_ф?

5. Принцип действия ограничителя последовательного типа с нулевым порогом.

6. Принцип действия ограничителя последовательного типа с ненулевым порогом.

7. Применение ограничителей амплитуды.

Практическое занятие №4

«Исследование мультивибратора в автоколебательном режиме»

Цель работы : Произвести расчет транзисторного мультивибратора на биполярных транзисторах»

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

В импульсной технике широко применяются генераторы прямоугольных импульсов, которые относятся к классу релаксационных генераторов. Колебания, в которых медленные изменения чередуются со скачкообразными, называют релаксационными. Релаксационные генераторы преобразуют энергию источника постоянного тока в энергию электрических колебаний. В релаксационном генераторе в течение одной части периода энергия запасается в реактивном элементе только одного типа, обычно в конденсаторе, а в другую часть периода выделяется в виде теплоты в резисторах схемы.

Усилительный элемент работает в данном случае в ключевом режиме, переключая конденсатор с зарядки на разрядку и обратно.

Релаксационные генераторы могут работать в автоколебательном и ждущем режимах, а также в режиме синхронизации и деления частоты. Генератор в автоколебательном режиме генерирует колебания непрерывно. В ждущем режиме генератор «ждет» поступления запускающего сигнала, с приходом которого выдает один импульс.

ТРАНЗИСТОРНЫЕ АВТОКОЛЕБАТЕЛЬНЫЕ МУЛЬТИВИБРАТОРЫ

Действие мультивибратора основано на следующих положениях. Прямоугольные импульсы формируются на коллекторе транзистора: плоская вершина- когда транзистор заперт и его коллектор имеет относительно высокий (по абсолютному значению) потенциал; пауза между импульсами- когда транзистор насыщен и потенциал на его коллекторе мал. Крутые фронты импульса обеспечиваются лавинообразным переходом транзистора из одного состояния в другое за счет положительной обратной связи в усилительных свойств транзисторов. Мультивибратор представляет собой двухкаскадный резистивный усилитель, построенный на транзисторах ключах – инверторах.

Положительная обратная связь имеется в схеме за счет того, что выход одного ключа соединен с входом другого.

Физические процессы в мультивибраторе

Исходное состояние схемы транзистор Т₂ насыщен, конденсатор С₂ разряжается и напряжением на нем приближается к нулю. Напряжением U_С2 транзистор Т₁ заперт, так как левая по схеме обкладка С₂ непосредственно соединена с базой Т_1, а правая оказывается подсоединенной к эмиттеру Т₁ через насыщенный транзистор Т₂. Такому состоянию соответствуют временные диаграммы до момента времени t₁, в соответствии с которыми

U_б2 ≈ 0, U_К2 ≈ 0. Период следования формируемых импульсов можно разбить на ряд стадий.

Формирование фронта импульса. Когда напряжение U_С2 на разряжающемся конденсаторе С₂ станет равным нулю, транзистор Т1 отпирается.

При одновременно отпертых транзисторах замыкается цепь положительной обратной связи- в схеме создается условия для лавинообразного процесса. Отпирание транзистора Т₁ приводит к уменьшению отрицательного потенциала на его коллекторе. Так как напряжение на конденсаторе С₁ не может изменяться мгновенно, то этот положительный скачок напряжения целиком прикладывается между базой и эмиттером Т₂, что вызывает уменьшения тока в его цепи. Вследствие этого потенциал коллектора Т₂ становится более отрицательным- отрицательный скачок напряжения через конденсатор С₂ передается на базу транзистора Т₁, что приводит к еще большему отпиранию. Так как последующий скачок напряжения на базе больше предыдущего, то описанный процесс нарастает лавинообразно и спустя небольшое время. Исчисляемое долями микросекунды, транзистор Т₂ оказывается запертым. С этого момента цепь положительной обратной связи обрывается и лавинообразный процесс прекращается. Запиранию транзистора Т₂ соответствует участок ab кривой U_К2.

Во время лавинообразного процесса напряжение на конденсаторе С₂ не успевает измениться. Только после запирания транзистора Т₂ этот конденсатор начинает заряжаться током i_З по цепи: + Е_К – «земля» - эмиттер- база насыщенного транзистора Т₁- С₂ – R_{К2 –} (-Е_К). За счет этого напряжение на коллекторе Т₂ U_К2 = - (Е_К – i_З*R_К2) постепенно приближается к установившемуся значению (участок bc кривой U_К2. Когда конденсатор С₂ зарядится (i_З = 0), напряжение на коллекторе примет значение U_К2 ≈ - Е_К. На этом формирование фронт импульса заканчивается.

Формирование плоской вершины импульса. До момента времени t₁ конденсатор С₁, присоединенный к коллектору запертого прежде транзистора Т₁ был заряжен до напряжения U_С1= ≈ Е_К. После насыщения транзистора Т₁ напряжение на этом конденсаторе оказывается приложенным между базой и эмиттером Т₂ и удерживает его запертым. Поэтому напряжение U_К2 остается неизменным- на коллекторе Т₂ формируется плоская вершина импульса.

При насыщенном транзисторе Т₁ конденсатор С₁ получает возможность разряжаться по цепи: + Е_К – «земля» - Т₁ – С₁- Rб₂ – (- Е_К ). Когда напряжение на нем окажется близким к нулю, транзистор Т₂ отпирается и в схеме вновь создаются условия для лавинообразного процессов. В момент t₂ формирование плоской вершины заканчивается.

Формирование среза импульса. Начавшийся лавинообразный процесс протекает аналогично описанному с той лишь разницей, что теперь напряжение на коллекторе Т₁ по абсолютному значению увеличивается, а напряжение на коллекторе Т₂ уменьшается. В результате транзистор Т₁ запирается, а транзистор Т₂ насыщается- на коллекторе Т₂ формируется срез импульса ( участок de кривой U_К2 ).

Пауза. Через насыщенный транзистор Т₂ происходит разрядка конденсатора С₂ по цепи: +Е_К – «земля» - Т₂ – С₂- R_б1 - ( - Е_К). По напряжение U_С2 не приблизится к нулю транзистор Т₁ заперт, а транзистор Т₂ насыщен. После отпирания Т₁ начинается формирование очередного импульса на коллекторе Т₂. Интервал t₂ - t_3.

В интервале t₂ - t₃ наряду с разрядкой конденсатора С₂ происходит зарядка конденсатора С₁ по цепи: + Е_К – «змля»- эмиттер- база Т₂ – С₁ – ( - Е_К ). Аналогично ранее заряжался конденсатор С₂, когда транзистор Т₁ был насыщен, а транзистор Т₂ заперт.

Основные параметры колебаний

1. Амплитуда генерируемых импульсов:

Um = Uкн – Uк зап ≈ Е_К;

2. Постоянная времени разрядки конденсатора С₁:

τ ₂≈ С₁Rб_2; (с)

3. Постоянная времени разрядки конденсатора С₂:

τ ₁≈ С₂Rб_1;

4. Длительность генерируемых импульсов:

t_И2 = С₁Rб₂ ln 2≈ 0,7 С₁Rб₂ = 0,7τ_2; (с)

t_И1 = С₂Rб₁ ln 2≈ 0,7 С₂Rб₁ = 0,7τ₁ (с)

5. Период колебаний_:

Т= t_И1 + t_И2 = 0,7 ( С₁Rб₂ + С₂Rб₁ ) = 0,7(τ₂ + τ₁) ( с)

Теория для расчета транзисторного автоколебательного мультивибраторы

Выбор транзистора производится из ряда соображений.

1. При запирании транзистора на его базу передается положительный перепад напряжения Um = Ек. Потенциал коллектора при этом стремится к -Ек. Поэтому максимально допустимое напряжение между коллектором и базой транзистора должно быть

U_{кб допю} > 2 E_k (1.1)

2. Максимальная частота колебаний мультивибратора f_max зависит от частоты транзистора

У выбранного транзистора должно быть

> 0,7 f_max (1.2)

3. Чтобы обеспечить заданную длительность положительного перепада – длительность среза t_с частота транзистора f, должна соответствовать условию

f > 1/t_c (1.3)

4. Напряжение источника питания берут равным

Е_к = (1,11,2)U_m (1.4)

c тем чтобы изменение потенциала коллектора не было меньше заданной амплитуды импульса U_m

5. Сопротивление резистора Rк, выбирают с таким расчетом, чтобы ток открытого транзистора не превышал максимально допустимого

I_кн ≈ Е_к / R_k < I_кдоп

откуда

R_k > R_k / I_кдоп (1.5)

С другой стороны, падение напряжения на резисторе R_k от обратного тока коллектора не должно превышать (0,050,1)Е_к, т. е.

I_{ко max} * R_k < (0,050,1)Е_к

Откуда

R_k < |(0,050,1)Е_к |/ I_{ко max} (1.6)

где I_{ко max} - обратный ток при максимальной рабочей температуре. При выполнении этого условия потенциал коллектора запертого транзистора мало отличается от E_k.

6. Сопротивление резистора Rб следует выбирать с таким расчетом, чтобы обеспечить неглубокое насыщение транзистора (S ≈ 2)

(Е_к / R_k)* = (Е_к / R_б) *S, (1.7)

откуда

Rб = (*R_k) / S (1.8)

Емкость конденсатора С выбирается в соответствии с заданной длительностью импульсов

С₁ = t_U2 / 0,7 R_б2, (1.9)

С₂ = t_U2 / 0,7 R_б1 (1.10)

Конденсаторы выбираются по ГОСту.

Практическое занятие №5

«Исследования триггеров»

Целью работы является экспериментальное исследование работы различных типов триггеров.

2 Краткие теоретические сведения

Триггеры предназначены для запоминания двоичной информации. Использование триггеров позволяет реализовывать устройства оперативной памяти (то есть памяти, информация в которой хранится только на время вычислений). Однако триггеры могут использоваться и для построения некоторых цифровых устройств с памятью, таких как счётчики, преобразователи последовательного кода в параллельный или цифровые линии задержки.

2.1 RS-триггер

Основным триггером, на котором базируются все остальные триггеры является RS-триггер.
RS-триггер имеет два логических входа:

• R - установка 0 (от слова reset);

• S - установка 1 (от слова set).

RS-триггер имеет два выхода:

• Q - прямой;

• Q - обратный (инверсный).

Состояние триггера определяется состоянием прямого выхода. Простейший RS-триггер состоит из двух логических элементов, охваченных перекрёстной положительной обратной связью (рисунок 2.1).

Рисунок 2.1 - Схема простейшего RS- триггера

Рассмотрим работу триггера:

Пусть R=0, S=1. Нижний логический элемент выполняет логическую функцию ИЛИ-НЕ, т.е. 1 на любом его входе приводит к тому, что на его выходе будет логический ноль Q=0. На выходе Q будет 1 (Q=1), т.к. на оба входа верхнего элемента поданы нули (один ноль - со входа R, другой - с выхода ). Триггер находится в единичном состоянии. Если теперь убрать сигнал установки (R=0, S=0), на выходе ситуация не изменится, т.к. несмотря на то, что на нижний вход нижнего логического элемента будет поступать 0, на его верхний вход поступает 1 с выхода верхнего логического элемента. Триггер будет находиться в единичном состоянии, пока на вход R не поступит сигнал сброса. Пусть теперь R=1, S=0. Тогда Q=0, а =1. Триггер переключился в "0". Если после этого убрать сигнал сброса (R=0, S=0), то все равно триггер не изменит своего состояния.
Для описания работы триггера используют таблицу состояний (переходов).
Обозначим:

• Q(t) - состояние триггера до поступления управляющих сигналов (изменения на входах R и S);

• Q(t+1) - состояние триггера после изменения на входах R и S.

Таблица 2.1 - Таблица переходов RS триггера в базисе ИЛИ-НЕ

RS-триггер можно построить и на элементах "И-НЕ" (рисунок 2.2).

Рисунок 2.2 - Схема RS-триггера, построенного на схемах "2И-НЕ"

Входы R и S инверсные (активный уровень "0"). Переход (переключение) этого триггера из одного состояния в другое происходит при установке на одном из входов "0". Комбинация R=S=0 является запрещённой.

Таблица 2.2 - Таблица переходов RS триггера в базисе "2И-НЕ"

2.2 Синхронный RS-триггер

Схема RS-триггера позволяет запоминать состояние логической схемы, но так как при изменении входных сигналов может возникать переходный процесс (в цифровых схемах этот процесс называется "опасные гонки"), то запоминать состояния логической схемы нужно только в определённые моменты времени, когда все переходные процессы закончены, и сигнал на выходе комбинационной схемы соответствует выполняемой ею функции. Это означает, что большинство цифровых схем требуют сигнала синхронизации (тактового сигнала). Все переходные процессы в комбинационной логической схеме должны закончиться за время периода синхросигнала, подаваемого на входы триггеров. Триггеры, запоминающие входные сигналы только в момент времени, определяемый сигналом синхронизации, называются синхронными. Принципиальная схема синхронного RS триггера приведена на рисунке 2.3.

Рисунок 2.3 - Схема синхронного RS-триггера

Таблица 2.3 - Таблица переходов синхронного RS-триггера

В таблице 2.3. под сигналом С подразумевается синхроимпульс. Без синхроимпульса синхронный RS триггер сохраняет своё состояние.

2.3 D - триггер

D-триггер имеет 1 информационный вход (D-вход). Бывают только синхронные D-триггеры. Состояние информационного входа передаётся на выход под действием синхроимпульса (вход С).

Рисунок 2.4 - Схема D-триггера на основе синхронного RS-триггера

Таблица 2.4 - Таблица переходов D-триггера

Если на входе D - "1", то по приходу синхроимпульса Q = 1.
Если на D "0", то Q =0.

2.4 Счётный триггер (Т-триггер)

Т-триггер имеет один счётный информационный вход.Триггер переключается каждый раз в противоположное состояние, когда на вход Т поступает управляющий сигнал.

Таблица 2.5 - Таблица переходов Т триггера

Рисунок 2.5 - Схема T-триггера на основе двухступенчатого D-триггера

2.5 Универсальный триггер (JK-триггер)

Такой триггер имеет информационные входы J и К, которые по своему влиянию аналогичны входам S и R тактируемого RS-триггера:

• при J=1, K=0 триггер по тактовому импульсу устанавливается в состояние Q=1;

• при J= 0, К=1 - переключается в состояние Q=0;

• при J=K=0 - хранит ранее принятую информацию.

Но в отличие от синхронного RS-триггера одновременное присутствие логических 1 на информационных входах не является для JK-триггера запрещённой комбинацией и приводит триггер в противоположное состояние.

Рисунок 2.6 - Схема JK-триггера на основе двухступенчатого синхронного RS-триггера.

Таблица 2.6 - Таблица переходов JK триггера

3 Задание к работе

3.1 Исследовать асинхронный RS- триггер

Сконфигурировать ПЛИС в соответствии с рисунком 3.1.

Рисунок 3.1 - RS-триггер на основе логических элементов "ИЛИ-НЕ"

Все используемые элементы располагаются в Symbol tools->Primitives.

Устанавливая с помощью переключателей S7 и S8 различные комбинации логических уровней и наблюдая за светодиодом LED8 заполнить таблицу 3.1

Таблица 3.1 - Таблица переходов для асинхронного RS триггера на элементах "ИЛИ-НЕ"

3.2 Исследовать синхронный RS триггер

Сконфигурировать ПЛИС в соответствии с рисунком 3.2.

Рисунок 3.2 - Синхронный RS-триггер

Триггер взять из библиотеки Primitives->Storage. Устанавливая с помощью переключателей S7 и S8 различные комбинации логических уровней и затем нажимая на кнопку Button, заполнить таблицу переходов 3.2.

Таблица 3.2 - Таблица переходов для синхронного RS триггера

3.3 Исследовать D-триггер

Сконфигурировать ПЛИС в соответствии с рисунком 3.3.

Рисунок 3.3 - Схема D-триггера

Устанавливая с помощью переключателя S8 различные логические уровни на выходе D и затем нажимая на кнопку Button, заполнить таблицу переходов 3.3.

Таблица 3.3 - Таблица переходов для синхронного D триггера

3.4 Исследовать синхронный T-триггер

Сконфигурировать ПЛИС в соответствии с рисунком 3.4.

Рисунок 3.4 - Схема счётного Т-триггера

Блок Antitinkling необходим для подавления дребезга кнопки.

ВНИМАНИЕ! Для того, что бы выполнить блок Antitinkling, прочтите инструкцию Борьба с дребезгом контактов.

Вход CLK соединяется с pin16, вход Button соединяется с pin37. Выход Antitinkling соединить с входом синхронизации триггера. Остальные входы соединить согласно рисунку 3.4.

Устанавливая с помощью переключателя S8 различные логические уровни на выходе D и затем, нажимая на кнопку Button, заполнить таблицу переходов 3.4.

Таблица 3.4 - Таблица переходов для синхронного D триггера

3.5 Исследование синхронного JK триггера

Сконфигурировать ПЛИС в соответствии с рисунком 3.5.

Рисунок 3.5 - Схема JK-триггера

Блок Antitinking подключить так же как, было сделано в предыдущем задании. Устанавливая с помощью переключателя S7 и S8 различные логические уровни на входах J, K и затем, нажимая на кнопку Button, заполнить таблицу переходов 3.5.

Таблица 3.5 - Таблица переходов для JK триггера

Контрольные вопросы

1. Чем определяется быстродействие триггера?

2. Начертить схему RS-триггера на логических элементах "ИЛИ-НЕ" и пояснить принцип его работы.

3. Почему JK-триггер называется универсальным?

4. Пояснить по таблице переходов работу D-триггера.

5. Какой характерной особенностью обладает периодическая последовательность импульсов на входе T-триггера?

6. Способы описания последовательных цифровых устройств.

7. Каким преимуществом обладает двухступенчатый триггер?

Практическое занятие №6

«Исследование логических элементов»

Цели работы: Исследовать простейшие логические схемы и получить их таблицы истинности; реализовать заданные логические функции при помощи логических элементов.

Теоретические сведения

1. Аксиомы алгебры логики.

Переменные, рассматриваемые в алгебре логики, могут принимать только два значения – 0 или 1. В алгебре логики определены: отношение эквивалентности, равенства (обозначается знаком =) и операции сложения (дизъюнкции), обозначаемая знаком или +, умножения (конъюнкции) обозначаемая знаком или точкой, и отрицания (или инверсии), обозначаемая надчеркиванием или апострофом’.

Алгебра логики определяется следующей системой аксиом:

Х = 0, если Х 1, Х = 1, если Х0;

1 + 1 = 1, 0 + 0 = 0, 0 + 1 = 1 + 0 = 1;

0 0 = 0, 1 1 = 1, 1 0 = 0 1 = 0.

2. Логические выражения.

Запись логических выражений обычно осуществляется в конъюнктивной или дизъюнктивной нормальной формах (КНФ или ДНФ). В ДНФ выражения записываются как сумма произведений, а в КНФ – как произведение сумм. Порядок действий такой же, как и в обычных алгебраических выражениях. Логические выражения связывают значение логической функции со значениями логических переменных.

3. Логические схемы.

Физическое устройство, реализующее одну из операций алгебры логики или простейшую логическую функцию, называется логическим элементом. Схема, составленная из конечного числа логических элементов по определенным правилам, называется логической схемой.

Основным логическим функциям соответствуют выполняющие их схемные элементы. Схемные обозначения элементов, применяемых в данной работе, приводятся ниже.

4. Таблица истинности.

Так как область определения любой функции n переменных конечна (2ⁿ значений), такая функция может быть задана таблицей значений, которые она принимает при всех возможных комбинациях переменных. Такие таблицы называют таблицами истинности. В них указаны комбинации переменных и соответствующие им значения функции.

Содержание работы:

Задание 1. Исследование логической функции И.

а) Определение уровней логических сигналов.

Соберите схему, изображенной на рисунке, изображенную на рис.1. В этой схеме два двухпозиционных переключателя А и В подают на входы логической схемы И уровни 0 или 1.

Переключатель управляется соответствующей клавишей. Подключите вольтметр для измерения напряжения на входе В. Включите схему. Установите переключатель В в нижнее положение. Измерьте вольтметром напряжение на входе В и определите с помощью логиче ского пробника (анализатора) уровень логического сигнала.

Установите переключатель В в верхнее положение. Определите уровень логического сигнала и запишите показание вольтметра. Сделайте вывод, какое напряжение соответствует единичному или нулевому логическому сигналу.

б) Экспериментальное определение таблицы истинности элемента И.

Подайте на входы схемы все возможные комбинации сигналов А и В и для каждой комбинации зафиксируйте значение выходного сигнала. По результатам эксперимента составьте таблицу истинности данного элемента. По таблице истинности составьте аналитическое выражение функции данного элемента.

Задание 2. Исследование логической функции И-НЕ.

а) Экспериментальное определение таблицы истинности элемента 2И-НЕ, составленного из элементов 2И и НЕ.

Соберите соответствующую схему, используя схему рис.1 и дополнительный элемент НЕ (инвертор). Включите схему. Подайте на входы схемы все возможные комбинации сигналов А и В и для каждой комбинации зафиксируйте значение выходного сигнала. По результатам эксперимента составьте таблицу истинности данного элемента. По таблице истинности составьте аналитическое выражение функции данного элемента.

б) Экспериментальное определение таблицы истинности элемента 2И-НЕ.

Замените элементы 2И и НЕ одним элементом 2И-НЕ. Включите схему. Подайте на входы схемы все возможные комбинации сигналов А и В и для каждой комбинации зафиксируйте значение выходного сигнала. По результатам эксперимента составьте таблицу истинности данного элемента. Сравните полученную таблицу истинности с предыдущей.

Задание 3. Исследование логической функции ИЛИ. Исходя из схемы рис.1, соберите схему для исследования элемента ИЛИ.

Подайте на входы схемы все возможные комбинации сигналов А и В и для каждой комбинации зафиксируйте значение выходного сигнала. По результатам эксперимента составьте таблицу истинности данного элемента. По таблице истинности составьте аналитическое выражение функции данного элемента.

Задание 4. Исследование логической функции ИЛИ-НЕ.

а) Экспериментальное определение таблицы истинности элемента 2ИЛИ-НЕ, составленного из элементов 2ИЛИ и НЕ.

Соберите соответствующую схему, используя предыдущую схему и дополнительный элемент НЕ (инвертор). Включите схему. Подайте на входы схемы все возможные комбинации сигналов А и В и для каждой комбинации зафиксируйте значение выходного сигнала. По результатам эксперимента составьте таблицу истинности данного элемента. По таблице истинности составьте аналитическое выражение функции данного элемента.

б) Экспериментальное определение таблицы истинности элемента 2ИЛИ-НЕ.

Замените элементы 2ИЛИ и НЕ одним элементом 2ИЛИ-НЕ. Включите схему. Подайте на входы схемы все возможные комбинации сигналов А и В и для каждой комбинации зафиксируйте значение выходного сигнала. По результатам эксперимента составьте таблицу истинности данного элемента. Сравните полученную таблицу истинности с предыдущей.

Задание 5. Исследование логических схем с помощью генератора слов.

Соберите схему, изображенную на рис.2.

Здесь использована микросхема (МС) 7400, содержащая четыре логических элемента. Буквами А и В обозначены входы элементов, а буквой Y – выходы. Цифра указывает принадлежность к тому или иному элементу. VCC – питание постоянным напряжением 5 В. GND – земля. Для исследования МС применяется генератор слов, который нужно запрограммировать так, чтобы получать последовательно следующие комбинации: 00, 01, 10, 11 (панель управления генератора открывается двойным щелчком мыши на его символе). Переведите генератор в режим пошаговой работы нажатием кнопки «Step». Каждое нажатие кнопки «Step» вызывает переход к очередному слову заданной последовательности, которое подается на выход генератора. Последовательно подавая на вход одного из элементов МС слова из заданной последовательности, заполните таблицу истинности. По таблице истинности определите тип логического элемента.

Указание: значение разрядов текущего слова на выходе генератора отображаются в круглых окнах в нижней части на панели генератора.

Краткое описание документа:

Методические указания по проведению лабораторно-практических работ по дисциплине «Основы автоматики и импульсной техники» предназначены для студентов при подготовке к лабораторным работам с целью освоения практических умений и навыков. Лабораторно-практические работы выполняются по письменным инструкциям, которые приводятся в данном пособии. Каждая инструкция содержит краткие теоретические сведения, относящиеся к данной работе, перечень необходимого оборудования, порядок выполнения работы, контрольные вопросы.

Методические указания по проведению лабораторных работ разработаны согласно рабочим программам по учебной дисциплине «Основы автоматики и импульсной техники» и требованиям к умениям и знаниям Федерального государственного образовательного стандарта среднего профессионального образования (далее – ФГОС СПО) по специальности 05.02.03 Метеорология.