Абсолютно секретно ----ТСА / Сб.ТСА.гл.6.1.ЗУ05

6. ИНСТРУКЦИИ К ЛАБОРАТОРНЫМ РАБОТАМ

Л а б о р а т о р н а я р а б о т а № 1

Градуировка устройства задающего токового ЗУ05

Цель работы :

1. изучить конструкцию, принципиальную схему и схему внешних соединений устройства задающего токового ЗУ05;

2. отградуировать шкалу ЗУ05 по внешнему милливольтметру;

3. определить погрешности градуировки шкалы по всему диапазону.

1. Основные теоретические сведения

Идеальный источник тока обеспечивает в нагрузке R_н ток, не зависящий от падения напряжения на R_н. Для этого надо, чтобы внутреннее сопротивление источника тока было бесконечным, что требует бесконечной величины напряжения источника напряжения, обеспечивающего этот ток.

Это можно сделать, если потребно большое внутреннее сопротивление только для определённого интервала входных напря-жений. В этом случае большим может быть лишь дифференциаль-ное внутреннее сопротивление r_i = dU/dI, тогда как статическое внутреннее сопротивление может быть малым. Этой особенностью обладает выходная характеристика транзистора. В то время как dU_к/dI_к имеет порядок нескольких килоомов, выше напряжения насыщения U_нас dU_кэ/dI_к составляет несколько сотен килоомов. С помощь отрицательной обратной связи значение дифференциального внутреннего сопротивления можно увеличить на несколько порядков.

Схема источника тока, изображённая на рис. 1, построена на основе схемы с общим эмиттером и отрицательной обратной связью по току. Нагрузка R_н включена последовательно с транзистором в его коллекторную цепь. Выходной ток остаётся неизменным, пока транзистор не насыщен, т.е. пока U_кэ > U_{кэ нас}. Для расчёта внутреннего сопротивления источника запишем следующие соотношения:

dI_н = dI_к, dU_кэ = dU_н, dI_э = dI_к + dI_б,

dU_бэ = – dI_б ( R₁ || R₂ ) – dI_э R_э .

Определив дифференциальное входное сопротивление r_бэ, крутизну коллекторного тока S и дифференциальный коэффициент усиления по току в рабочей точке β при U_кэ = const и выходное сопротивление r_кэ при U_бэ = const по выражениям

; ,

получим

Для определения параметров источника тока при выходном токе, равном, например, 5 мА, можно выбрать R_э = 1 кОм, U_э = 5 В. Общее сопротивление делителя напряжения, соединённого с базой, пусть составит R₁ || R₂ = 10 кОм. С учётом параметров типичного транзистора с r_кэ = 100 кОм, β = 100 и r_бэ = 100·26 мВ / 5 мА = 0,5 кОм получим r_i = 969 кОм.

Из формулы видно, что общее сопротивление делителя напряжения R₁ || R₂ неблагоприятно влияет на внутреннее сопротивление источника тока. Поэтому делитель нужно делать по возможности низкоомным. Кроме того, внутреннее сопротивление источника тока зависит от коэффициента усиления транзистора β, уменьшающегося с уменьшением тока коллектора. Поэтому в регулируемом источнике тока, выходной ток которого устанавливается изменением U_бэ, зависимость выходного тока от управляющего напряжения отклоняется от линейной, особенно в области малых токов.

2. Устройство задающее токовое ЗУ05

и его технические данные

У стройство задающее токовое ЗУ05 предназначено для применения в системах автоматического управления произ-водственными процессами в качестве ручного токового задатчика.

Принципиальная схема устройства приведена на рис. 2.

Технические данные ЗУ05.

Параметры питания 220 В (– 15…+10%) 50 ±1 Гц (60 ±1 Гц).

Потребляемая мощность 5 ВА.

Диапазон изменения выходного токового сигнала 0…5 мА.

Сопротивление нагрузки может находиться в пределах 0…1кОм, 1…2 кОм или 2…3 кОм.

Шкала уставки выходного сигнала 0…100% с ценой деления 1%, погрешность градуировки шкалы не более 5% от номинального диапазона изменения выходного сигнала.

Вероятность безотказной работы за время 2000 часов не менее 0,97.

Габаритные размеры 8060170 мм, масса не более 1 кг.

Устройство состоит из корпуса с передней панелью, на которую выведена ручка «Задание». На задней стороне корпуса расположен штепсельный разъём на 7 цепей.

Устройство питается от одноканального источника постоянного напряжения ИП–32 на 30 В, встроенного в корпус.

Устройство представляет собой источник тока, построенный как однокаскадный усилитель постоянного тока на транзисторе VT по схеме с общим эмиттером и последовательной отрицательной обратной связью (резисторы R₆ и R₇). Нагрузка включается в коллекторную цепь VT при сопротивлении нагрузки 2…3 кОм прямо (между контактами 4 и 7 штепсельного разъёма), через балластный резистор R₈ при сопротивлении нагрузки 1…2 кОм (контакты разъёма 4 и 6) или через резисторы R₈+R₉ при сопротивлении нагрузки 0…1 кОм (контакты разъёма 4 и 5).

Входной сигнал снимается с движка потенциометра R₅. Если пренебречь током базы VT ввиду его малости, выходной ток в нагрузке I_нравен

Питание входных цепей стабилизировано стабилитроном VD1, для компенсации динамического сопротивления которого входная цепь подключена к диагонали моста R₁ – VD1 – R₂ – R₃. Температурная стабилизация выходного тока усилителя постоянного тока осуществлена применением в эмиттерной цепи VT медного резистора R₇, имеющего положительный температурный коэффициент сопротивления, и германиевого точечного диода VD2 в цепи базы.

3. Лабораторная установка

На рис.3 изображён эскиз щита лабораторной установки САУ, в измеритель рассогласования которой входит устройство задающее токовое ЗУ05 (позиция 6). Оно расположено в верхней правой части щита и предназначено для ручного задания уровня жидкости в резервуаре, которое должно поддерживаться в процессе автоматического регулирования. Для градуировки лимба ручки управления ЗУ05 непосредственно над задатчиком расположен миллиамперметр со шкалой на 5 мА (позиция 7).

В схеме задатчика использован кремниевый планарный транзистор П308 структуры n – p – n, имеющий следующие электрические параметры.

Входное сопротивление при U_кб = 20 В, I_э = 10 ма не

более 70 Ом

Коэффициент передачи в режиме малого сигнала

при I_э = 10 мА, U_кб = 20 В 30 … 90

Сопротивление насыщения коллектор – эмиттер при

I_к = 15 мА, I_б = 3 мА не более 130 Ом

Обратный ток коллектора при U_кб = U_{кб макс} не более 3 мкА

Обратный ток коллектор – эмиттер при U_кэ = U_{кэ макс},

R_эб = 10 кОм не более:

при Т = 25° С 20 мкА

при Т = 125° С 200 мкА

Постоянная рассеиваемая мощность:

при 20° С 250 мВт

при 120° С 100 мВт

4. Программа работы и порядок её выполнения

1) Изучить принцип работы источника тока, определить, какие элементы устройства задающего токового ЗУ05 соответствуют элементам принципиальной схемы источника тока по рис. 1.

2) Пользуясь справочной литературой и характеристиками транзистора П308, приведёнными на рис. 4, рассчитать внутреннее сопротивление ЗУ05 при выходных токах от 1 до 5 мА через 1 мА.

Р ис. 4. Основные характеристики кремниевого

планарного n – p – n транзистора П308

3) Устанавливая по миллиамперметру выходные токи задатчика от 0 до 5 мА через 0,5 мА, получить зависимость «выходной ток – показания по лимбу задатчика». Результаты представить в таблице и в виде графика.

4) Рассчитать и представить в таблице и на графике абсолютную погрешность установки заданного тока по лимбу задатчика в координатах «показания по лимбу – выходной ток».

5) Рассчитать приведённую погрешность градуировки токового задатчика ЗУ05.

5. Оформление отчёта

Отчёт должен содержать:

1) цель работы и краткое описание принципа работы токового задатчика ЗУ05;

2) таблицы результатов и графики;

3) анализ погрешностей токового задатчика ЗУ05;

4) выводы по работе, в которых должны быть обсуждены возможные причины появления погрешности задания тока задатчиком ЗУ05 и приведены максимальная абсолютная и приведённая погрешности.

Контрольные вопросы

1. Объяснить принцип работы источника тока, построенного на биполярном транзисторе по схеме с общим эмиттером.

2. Как влияет на внутреннее сопротивление источника тока коэффициент передачи по току биполярного транзистора?

3. Какие элементы схемы ЗУ05 обеспечивают температурную стабильность тока нагрузки задатчика?

4.Для какой цели в схеме ЗУ05 установлены в цепи коллектора резисторы R₈ и R₉ ?

5. Как построить измеритель рассогласования с токовым задатчиком и датчиком с токовым выходом?

6. Как построить измеритель рассогласования с токовым задатчиком и резистивным потенциометрическим датчиком?

Библиографический список

1. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника: Справочное руководство. Пер. с нем. – М.: Мир, 1982. – 512 с., ил.

2. Транзисторы для аппаратуры широкого применения: Справочник / К.М. Брежнева, Е.И. Гантман, Т.И. Давыдова и др. Под ред. Б.Л. Перельмана. – М.: Радио и связь, 1981. – 656 с., ил.

55