Контрольные вопросы

1. Какие цепи называются нелинейными.

2. Какие элементы относятся к симметричным элементам, а какие к несимметричным.

3. В чем отличие инерционных элементов от безинерционных?

4. Как рассчитать статическое и динамическое сопротивления нелинейных элементов?

5. В каком случае дифференциальное и динамическое сопротивления равны между собой?

Лабораторная работа № 2

Исследование электрических ламп

Цель работы: исследовать вольтамперные характеристики различных видов электронных ламп

Основные понятия

Пояснение к работе

Современная нормальная лампа накаливания. Работа ламп накаливания основана на принципе теплового излучения. При протекании тока накала лампы, изготовленного из тугоплавкого материала (вольфрам), нить нагревается до температуры 2000…3000К. Чем выше температура нити, тем больше света она излучает, однако повышение температуры ограничено температурой плавления вольфрама (3700К). Источники света, основанные на тепловом излучении, имеют низкий коэффициент полезного действия. В современной лампе накаливания только 7-10% потребляемой электрической энергии преобразуется в энергию видимых излучений, причем основная часть видимого излучения ламп приходится на долю длинноволнового участка спектра, почти не воспринимаемого глазом, что снижает фактический КПД лампы почти вдвое. Однако, несмотря на столь низкую экономичность, лампы накаливания, благодаря простоте их конструкции, дешевизне и удобству эксплуатации, имеют широкое применение в осветительных установках.

Промышленность выпускает лампы накаливания с вольфрамовой нитью двух видов: пустотные (РП<60Вт) и газонаполненные на большие мощности. В последнем случае колба лампы заполняется парами азота и аргона.

Основные характеристики нормальных ламп накаливания: номинальное напряжение (220,127,36 или 12В); электрическая мощность лампы (15-1500Вт); светоотдача лампы – отношение излучаемого лампой светового потока к потребляемой мощности (Лм/Вт); средний срок службы лампы (около 1000 часов, при неизменном номинальном напряжении).

По отношению к мгновенным значениям тока и напряжения в электрической сети, вследствие большой тепловой инерции нити накала, лампа накаливания является линейным элементом и не вносит искажений в кривые тока или напряжений, что в ряде случаев является определяющим при выборе источников света.Люминесцентная лампа. Работа люминесцентной лампы основывается на использовании ультрафиолетового излучения в парах ртути, низкого или высокого давления, наполняющих колбу лампы, при прохождении через них электрического тока с последующим его преобразованием в видимое световое излучение. Преобразование происходит при помощи специальных кристаллических веществ – люминофоров. Для зажигания люминесцентной лампы требуется создать внутри колбы условия для возникновения тлеющего разряда в газе. В обычных условиях молекулы газа – нейтральные незаряженные частицы, тока не проводят. Для возникновения разряда требуется ионизировать газы внутри колбы лампы. Однако разряд может возникнуть самостоятельно только при напряжении 10-11 КВ.

В люминесцентных лампах низкого напряжения ионизация газов осуществляется термоэлектронным путем за счет специальных электродов, нагреваемых до 1100К. Поэтому люминесцентная лампа зажигается спустя некоторое время с момента ее включения в сеть и имеет специальную пускорегулирующую аппаратуру, обеспечивающую ее включение и нормальный режим работы.

Промышленность выпускает люминесцентные лампы низкого давления для внутренней установки и дугоразрядные люминесцентные лампы ДРЛ высокого давления, применяемые в основном для наружного освещения. Применяя различные люминофоры, получают люминесцентные лампы с различной цветностью излучения. В зависимости от спектра излучаемого света выпускают следующие типы люминесцентных ламп: а) дневного света – ЛД и ЛДЦ: б) белого света – ЛБ; в) холодно-белого света ЛХБ; г) тепло-белого света ЛТБ. Лампы ЛД и ЛДЦ воспроизводят свет более близкий к дневному естественному, поэтому их целесообразно устанавливать в помещениях, в которых требуется точное различие цветов и оттенков.

При одинаковой электрической мощности светоотдача люминесцентных ламп в 3-4 раза больше, чем у ламп накаливания. Срок службы люминесцентных ламп составляет 5000 часов, в основном он ограничен распылением оксидного покрытия электродов лампы, т.е. потерей ими термоэлектронной эмиссии.

Люминесцентные лампы низкого давления изготавливаются мощностью 15-125 Вт. Лампы ДРЛ выпускаются мощностью 80-2000Вт.Автоматизация управления искусственным освещением. Рациональное использование электрической энергии, расходуемой на нужды освещения, представляет собой серьезную экономическую задачу. Большинство современных промышленных предприятий расходуют на нужды освещения до 10% всей потребляемой электроэнергии. Эта задача может быть решена путем максимального использования естественного освещения в сочетании с автоматическим управлением искусственным освещением. Экономия электроэнергии при применении систем автоматического управления достигается за счет значительного сокращения времени использования установок искусственного освещения. В настоящее время автоматическое управление искусственным освещением выполняется с использованием различных реле времени и фотореле. Такие установки, при незначительном удорожании, обеспечивают значительную экономию эксплуатационных расходов на освещение. Для регулирования освещенности улиц, промышленных и общественных зданий, складских территорий и т.п. широко применяются автоматы дискретного и дискретно-программного действия, учитывающие не только уровень освещенности, но и другие факторы, такие, например, как световой климат местности, ориентацию помещений по сторонам света, и д.р. Дальнейшим этапом развития автоматических систем управления источниками света является разработка приборов, осуществляющих «динамическое освещение», под которым понимается освещение, способствующее оптимальной зрительной связи человека с производственной средой.

Порядок выполнения работы

Изучить лабораторную установку, контрольно-измерительные приборы и органы управления.

Устройство лабораторной установки. Лабораторная установка смонтирована на выпускаемом промышленно лабораторном столе СТФ-2. Стол представляет собой металлический каркас, имеющий конструктивные элементы для крепления оборудования на вертикальной и горизонтальной панелях. На вертикальной панели смонтированы: лампа накаливания, люминесцентная лампа низкого давления, люминесцентная лампа высокого давления (ДРЛ), стартер, пускорегулирующее устройство лампы ДЛР, дроссель люминесцентной лампы низкого давления, наборное поле, регулятор напряжения, магазин емкостей, амперметр с пределом измерения 1А, автоматический выключатель, сигнальная лампа, тумблер включения мультивибратора. С правой стороны на вертикальной панели находится сетевой тумблер включения лабораторной установки.

На горизонтальной панели стола смонтирован блок электроизмерительных приборов: люксметр, амперметр с пределами измерения 2,5 и 5 А, ваттметр с пределом 750Вт, вольтметр с пределами измерения 150 и 300 В; рисунки принципиальных электрических схем, которые необходимо собирать на рабочем столе при проведении опытов, и ниже с крышкой для хранения соединительных проводов. С левой стороны горизонтальной панели под плоскостью стола смонтирован регулировочный реостат маломощного источника света для исследования системы автоматического управления освещением. Рядом со стендом установлен электронный осциллограф.

За лицевой панелью установки смонтированы дополнительные элементы, входящие в принципиальные электрические схемы.

Описание наборного поля. Наборное поле служит для монтажа исследуемых схем. Оно выполнено на гетинаксной плате в виде условных графических обозначений электротехнических элементов, снабженных малогабаритными разъемами. Все оборудование, имеющееся на вертикальной и горизонтальной панелях стенда, выведено своими контактными зажимами на панель наборного поля. Общий вид и обозначение элементов, представленных на наборном поле, показано на рис. 2.1. Разъемы силовых цепей на наборном поле имеют больший диаметр по сравнению с разъемами, служащими для подключения осциллографа.

Рис. 2.1 Наборное поле лабораторной установки

Соответствие физических элементов установки их обозначениям на наборном поле:

1. Лампа ДРЛ – EL

2. Лампа накаливания – EL1

3. Люминесцентная лампа низкого давления - EL2

4. Миниатюрная лампа накаливания маломощного источника света для изучения схем автоматического управления освещением – EL3

5. Автоматический выключатель – SF

6. Стартер люминесцентной лампы низкого давления – КК

7. Основной дроссель люминесцентной лампы низкого давления – L1

8. Дополнительный дроссель люминесцентной лампы низкого давления для реализации резонансной схемы ее зажигания – L2

9. Батарея емкостей – С

10. Вольтметр – PV

11. Амперметр с пределами измерения 2,5 и 5А – PA1

12. Ваттметр – PW

13. Амперметр с пределом измерения 1А – PA2

14. Низкоомный резистор – R

15. Потенциометр – R1

16. Фоторезистор – BR

17. Катушка электромагнитного реле – К

18. Контактная часть электромагнитного реле – K1

19. Регулируемый источник переменного напряжения 0-250В, 50 Гц – G1

20. Источник постоянного напряжения для питания катушки реле 12В – G2

21. Источник переменного напряжения 6В, 50 Гц для питания миниатюрной лампы накаливания EL3 – G3

22. Пускорегулирующее устройство лампы ДРЛ – H

23. Люксметр – PB

24. Фотоэлемент люксметра – BL

Выполнить исследование режимов работы современной лампы накаливания.

В соответствии с принципиальной электрической схемой, изображенной на горизонтальной панели лабораторной установки, собрать на наборном поле электрическую цепь для исследования режимов работы лампы накаливания EL1. Цепь должна содержать регулируемый источник переменного напряжения G1, лампу накаливания и электроизмерительные приборы. Составить и заполнить таблицу используемых электроизмерительных приборов и оценить возможную погрешность каждого из этих приборов. Меняя напряжение источника G1 от 0 до величины, обеспечивающей 1,1 РН лампы накаливания, снять статические характеристики P(U) (не менее 9 точек). Снять осциллограммы напряжения источника GI и тока, протекающего в цепи лампы накаливания при номинальном напряжении. Рассчитать активное (R) сопротивление лампы накаливания, а также реактивное (Х) и полное сопротивление (Z) цепи в каждой точке снятых статических характеристик. Вычислить средний коэффициент мощности установки. Построить графики P(U), Q(U), I(U), R(U), cosf(U), привести рисунки осциллограмм напряжения на лампе накаливания и тока в цепи.

Выполнить исследование режимов работы люминесцентной лампы для 2-х схем включения в электрическую сеть: импульсной и резонансной.

В лабораторной работе изучается две схемы включения люминесцентной лампы EL2 в электрическую сеть: импульсная и резонансная. Рисунки обеих принципиальных электрических схем включения приведены на горизонтальной панели стенда. В соответствии с этими схемами студенты собирают на наборном столе соответствующие установки. Во избежание выхода из строя накальных электродов люминесцентной лампы запрещается подавать напряжение на собранную схему без проверки преподавателем! Первой собирают импульсную схему включения лампы, при этом параллельно электродам лампы включают осциллограф. Определяют напряжение срабатывания стартера и напряжения зажигания лампы. Доведя напряжение в собранной цепи до номинального значения UH или 1,1 UH (по указанию преподавателя), снять статические характеристики лампы P(U), снижая напряжение до полного погасания лампы. Снять осциллограммы тока и напряжения на лампе. Рассчитать активное, реактивное и полное сопротивления осветительной установки и построить статические характеристики P(U), Q(U), R(U), X(U), cosf(U).

Разлагая осциллограмму кривой тока, протекающего по лампе, определить амплитуды 1,3,5 и 7-й гармонических составляющих и процентный состав этих гармонических составляющих по отношению к 1-й. Сделать вывод о качестве тока в люминесцентной лампе. Собрать резонанс­ную схему зажигания люминесцентной лампы, предварительно рассчи­тав по данным импульсной схемы резонансную емкость C, и выполнить для этой схемы те же исследования, что и для импульсной. Снять зависимость напряжения на реактивных элементах от емкости C. Сделать сравнительный анализ обеих схем зажигания люминесцентной лампы.

Выполнить исследование режимов работы дуговой ртутной люминесцентной лампы высокого давления (ДЛР).

Дуговая лампа ДЛР включается в электрическую сеть с помощью специального пускорегулирующего устройства, обозначенного на наборном поле через H. Пускорегулирующее устройство имеет два входных и два выходных зажима, обозначенных соответственно 1-1 и 2-2. В соответствии с приведенной на стенде принципиальной электрической схемой на наборном поле собирается осветительная установка. Лампа ДЛР входит в свой номинальный режим приблизи­тельно в течение 5 мин, поэтому первым опытом снимают 1 динами­ческую характеристику этой лампы. Для этого, не включая лампы, устанавливают напряжение питания, равное номинальному (220В), затем отключив автомат SF, подключают лампу. Момент включения автомата SF принимают за начало отсчета и снимают показания амперметра PA1 и ваттметра РW через каждые 30 с, пока показания этих приборов не перестанут меняться. В номинальном режиме лампы снимают статическую характеристику лампы, вначале увеличивая напряжение сети на 10%, а затем уменьшая его вплоть до погаса­ния лампы. Статическая характеристика должна содержать не ме­нее 9 точек. После погасания лампа не может быть мгновенно пу­щена снова, требуется определенное время для рассасывания бло­кирующего ионного слоя вокруг её электродов. Поэтому её повтор­ный пуск возможен лишь спустя 10...20 мин. По результатам иссле­дований строятся динамические P(t), Q(t), I(t) и статические характеристики лампы ДРЛ P(U), Q(U), I(U), cosf(U), вычисляют активное, реактивное и полное сопротивления лампы в каждой точке. Проводят гармонический анализ полученных осцил­лограмм и делают вывод о качестве тока в осветительных установ­ках с дампами ДРЛ (см. приложение 1).

Собрать и исследовать режимы работы простейшей схемы ав­томатического управления источниками света на фоторезисторе.

В лабораторной установке собирается простейшая схема авто­матического управления освещением, в которой в качестве чувствительного элемента использован фоторезистор. В соответствии с принципиальной схемой, показанной на горизонтальной панели стола, собирается на его наборном поле схема автоматического управления. Фоторезистор BR размещен в светонепроницаемом отде­лении стенда вместе с маломощным источником света EL3. Источник света выполнен на миниатюрной лампе накаливания, пита­емой от источника переменного напряжения G3 через потенциометр R1. Вместе c источником EL3, фоторезистором BR в светонепро­ницаемом отделении размещен датчик люксметра. Измерительный прибор и органы управления люксметра выведены на горизонталь­ную панель стенда. В качестве основного источника света следу­ет взять лампу накаливания EL1, питаемую от генератора G1. Выставив на генераторе G1 номинальное напряжение лампы накали­вания EL1 (220 В), начинают плавно изменять потенциометром R1 напряжение на EL3, фиксируя по показаниям люксметра освещенность в районе фоторезистора BR. Определяют освещенность, при которой отключается лампа EL1. Затем снижают напряжение на EL3, фикси­руя изменение освещенности, и записывают освещенность, при кото­рой включается основной источник освещения EL1. В каждом направлении изменения освещенности EL3 снимают не менее 10 показаний люксметра. Опыт повторяют 2 раза и определяют среднее значение освещенности включения и отключения лампы EL1. Далее этот опыт выполняется для естественных условий, при этом датчик люксметра должен быть извлечен из светонепроницаемого отделения стенда. По данным опытов сделать выводы о влиянии источников света на уровни освещенности, при которых срабатывает система автоматического управления освещением.

Контрольные вопросы

1. Назовите известные вам электрические источники света.

2. Какие вы знаете основные характеристики ламп накаливания?

3. Достоинства и недостатки ламп накаливания.

4. Физический принцип работы люминесцентной лампы.

5. Конструкция люминесцентной лампы и типы выпускаемых люминесцентных ламп.

6. Составить схему импульсного зажигания люминесцентной лампы и пояснить ее работу.

7. Составить резонансную схему зажигания люминесцентной лампы и пояснить ее работу.

8. Достоинства и недостатки люминесцентных ламп.

9. Особенность повторного зажигания ламп ДЛР.

10. Составить простейшую схему автоматического управления освещением.

Лабораторная работа № 3

Построение петли магнитного гистерезиса

Цель работы: исследование магнитных свойств ферромагнитных материалов

Основные понятия

Пояснение к работе

Любое вещество, находящееся в магнитном поле внешних токов, приходит в особое состояние намагниченности, характеризующееся возникновением в нем добавочного магнитного поля.

Движение заряженных частиц внутри атома можно рассматри­вать как элементарные внутриатомные токи, поэтому добавочное магнитное поле, возникшее в результате намагничивания, будем на­зывать полем элементарных (внутренних) токов.

Магнитные свойства элементарного кругового тока (рис. 3.1) можно характеризовать магнитным моментом m, величина которого определяется произведением элементарного кругового то­ка и площади описанного им круга, а направление по правилу бу­равчика:

(3.1)

Интенсивность и характер намагничивания у различных ве­ществ в одинаковом магнитном поле внешних токов значительно отличаются. Поэтому все вещества разделяют на три группы.

К первой группе относятся диамагнитные вещества, в которых магнитное поле элементарных токов направлено против вызвавше­го его поля внешних токов. Иначе говоря, результирующее магнит­ное поле в веществах этой группы слабее магнитного поля внешних токов. Диамагнитные вещества — вода, водород, кварц, серебро, медь и др.

Рис. 3.1

Рис.3.2

Ко второй и третьей группам относятся соответственно пара­магнитные (алюминий, кислород, воздух и т.д.) и ферромаг­нитные (железо, никель, кобальт и некоторые их сплавы) вещест­ва. Общим для веществ этих групп является то, что при на­магничивании магнитные мо­менты элементарных токов в них ориентируются в направлении поля внешних токов. В результате магнитное поле усиливается.