Задание к работе

1. Практическое знакомство с системой моделирования EWB:

   • принцип моделирования функциональных схем;

   • обозначения компонентов системы;

   • размещение и удаление компонент (коррекция схемы) на поле моделирования системы и их манипуляция;

   • соответствие компонент системы EWB (Евро-стандарт) с отечественными УГО.

2. Исследовать работу источников сигналов, тока, напряжения (постоянного и переменного), индикаторных элементов (элементарных и шкальных) (табл.1), используя необходимые измерительные приборы (осциллограф) и зарисовать форму выходных сигналов.

Таблица 1

№ пп	УГО	Наименование источника (вид сигнала)	№ пп	УГО	Наименование источника (вид сигнала)
1		Логическая «1»	7		Постоянный ток
2		Управляемый источник напряжения	8		Переменный ток
3		Общая шина, «земля»	9		Переменное напряжение
4		+15В	10		Меандр +5В
5		+5В	11		Амплитудная модуляция
6		Гальванический элемент	12		Частотная модуляция

3. Исследование простейшей электрической схемы (рис.1):

   • монтаж схемы на поле моделирования EWB;

   • назначение параметров компонент (Ũ=5…36В; R=0,1…10кОм);

   • измерение тока Ĩ и напряжения Ũ (амперметр и вольтметр);

   • исследовать формы сигналов в точках А и Б (осциллограф);

   • по результатам исследования указать функциональную принадлежность схемы;

   • зарисовать временные диаграммы в точках А и Б в режиме графики системы EWB.

Ĩ

Ũ

Рис.1. Простейшая функциональная схема: VD – диодный элемент.

4. Собрать и провести анализ схемы рис.2 при следующих номиналах RC-элементов и входного напряжения С=0,01…100мкФ, R=0,1…10кОм, U=10…30В:

   • зарисовать характерные временные диаграммы сигналов в точках А, Б и В при разных значениях С, R и U;

   • для этих же значений C, R и U провести измерение U_A, U_Б, U_В и I₁, I₂, составив для этого таблицу в произвольном виде;

   • объяснить физику процессов в электрических цепях схемы;

   • определить функциональную принадлежность схемы.

Рис.2. Измерительная RC-схема

5. Провести анализ схемы рис.3 при следующих значениях её элементов L=1…100Гн, С1=С2 = 1…100мкФ, Ũ=15В:

   • зарисовать временные диаграммы в точках А, Б и В при разных значениях U, L и C;

   • объяснить происходящие процессы;

   • определить функциональную принадлежность схемы.

Рис.3. Измерительная LC-схема.

Содержание отчёта

1. Наименование источников, УГО и форм сигналов.

2. Схемы исследуемых узлов.

3. Временные диаграммы сигналов и функциональное наименование исследованных схем.

Контрольные вопросы

1. Укажите различие УГО компонент отечественного и Евро-стандарта?

2. Как провести удаление одного или нескольких компонент электрической цепи и помощью средств EWB?

3. Особенности включения режима графики EWB?

4. Назначение параметров компонент и их порядковое обозначение на электрической схеме в системе EWB?

5. Режим работы осциллографа при анализе сигнала источника?

Лабораторная работа №2

ИЗМЕРЕНИЕ СОПРОТИВЛЕНИЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНЯ

Цель работы: ознакомление с методикой косвенного измерения сопротивлений в цепях постоянного тока посредством амперметра и вольтметра.

Общие сведения

В процессе монтажа элементов и узлов различного технологического оборудования, эти компоненты могут быть подключены к источнику электрической энергии тремя известными способами: последовательно, параллельно и смешанно (последовательно-па-раллельно). Для оценки потребляемой электрической мощности источника, сечения соединительных линий необходимы знания процессов в электрической цепи. Для этого элементы и узлы оборудования в виде омических сопротивлений R соответствующих значений. Наиболее просто рассчитываются подобные цепи по постоянному току (рис.1). С расчётом же эклектических цепей переменного тока можно познакомиться в [7,8]. Рассмотрим методику расчёта сопротивлений (потребителей) в цепях постоянного тока.

При последовательном соединении компонент технологического оборудования они соединяются в одну неразветвлённую цепочку (см. рис.1.а). Токи, проходящие через сопротивления R1, R2, R3, равны между собой: I1=I2=I3.

Входное напряжение U, приложенное к цепи, равно сумме падений напряжений U=U1+U2+U3. Общее сопротивление всей цепи равно сумме сопротивлений компонент: R=R1+R2+R3. Величина сопротивления каждой компоненты цепи можно определить расчётным методом (косвенно) по фактическим значениям тока I и напряжения U для участка цепи (закон Ома): R1=U1/I1, R2=U2/I2, R3=U3/I3.

1. б)

в)

Рис.1. Возможные схемы соединения компонент технического оборудования в цепь постоянного (переменного) тока, представленных в виде сопротивлений R: а) последовательное, б) параллельное, в) смешанное.

При параллельном соединении компоненты R1…R3 оказываются подключёнными к двум узловым потенциальным точкам (см. рис.1.б). Напряжение между ними одинаково и равно входному напряжению цепи: U=U1=U2=U3=U_1-3.

Общий ток I неразветвлённой части цепи равен сумме токов в каждом разветвлении согласно первого закона Кирхгофа: I=I1+I2+I3. Величина тока в каждой компоненте R определяется по закону Ома для участка цепи: I1=U1/R1, I2=U2/R2, I3=U3/R3.

Общая проводимость G=1/R всей цепи равна сумме проводимостей отдельных ветвей: G=G1+G2+G3. Следовательно, общее сопротивление цепи можно определить из соотношения: 1/R=1/R1+1/R2+1/R3.

При смешанном соединении компоненты Rl, R2, R3 включаются в цепь последовательно и параллельно (см. рис. 1.в). Общее сопротивление цепи определяется из выражения:

, где , и .

Порядок выполнения работы

1. Для выполнения работы необходимо познакомиться с теоретическим по­ложением работы и в среде EWB набрать измерительную схему (рис. 2), дополнив ее измерительными приборами (амперметрами РА и вольтметрами PV).

Рис.2. Моделируемая схема соединений компонент R1..R5 в цепи постоянного тока: НЭ – нелинейный элемент (лампа накаливания HL).

2. Моделирование схемы (рис. 2) следует провести для двух случаев, когда в цепи включена компонента в виде: а) сопротивления R5 и б) нелинейного элемента НЭ, например лампы накаливания HL. Исходные данные электрической цепи выбирают из таблицы 1.

Вари- ант	ΔU, В	Сопротивления цепи, кОм					Параметры НЭ
		R1	R2	R3	R4	R5	Р, В∙А	UНЭ.Р, В
1	0...12	0,51	1,2	2,0	2,0-	1,3	36	12
2	3...18	1,2	0,51	1,5	1,8	0,68	25	18
3	5...20	2,0	1,8	2,0	1,0	1,5	20	20
4	10...25	0,68	1,0	1,5	0,91	2,2	30	25
5	0...20	1,1	2,0	1,5	1,6	1,3	15	20
6	12...36	1,5	1,6	0,68	2,0	0,47	40	36
7	15...40	2,4	1,5	0,91	1,2	1,0	60	40
8	5...25	2,0	1,2	1,8	0,68	1,0	20	25
9	0...30	1,8	1,5	2,0	2,4	1,5	25	30
10	20...45	0,82	1,2	2,2	1,6	1,5	40	45
11	0...10	0,62	1,2	0,47	1,3	2,2	15	10
12	15...30	1,0	2,2	1,3	1,5	1,0	30	30
13	10...35	1,3	1,0	0,68	2,4	1,8	40	30
14	30...50	1,2	1,8	2,0	1,2	1,6	60	50
15	5...30	1,5	2,2	1,0	0,51	2,0	40	30

Таблица 1

4. Измерение параметров цепи выполнить для 10 точек в заданном диапазоне входного напряжения ΔU и результаты занести в таблицу измерений (табл. 2), учитывая параметры НЭ (мощность Р и рабочее напряжение U_НЭ.Р).

Таблица 2

№ п/п

U, В

I мA

I1, мA

I2, мA

I3, мA

I4, мA

I5, мA

Ul, В

U2-4, В

U5, В

UA, В

UБ, В

а) с сопротивлением R5:

1

2

…

10

б) с нелинейным элементом НЭ:

1

2

…

10

4. Провести следующие вычисления:

– по показаниям РА и PV косвенно определить значение омического сопротивления НЭ при одном значении входного напряжения U;

– при этом же значении U рассчитать измеренные величины U_x, I_x (см. табл. 2) и оценить погрешности регистрации этих значений по формуле , здесь X - измеряемая, расчетная и максимально допустимая величины.

5. По результатам табл. 2 построить графики зависимостей I_x=f(U) и U_x=f(U), где I_x, U_x - измеряемые величины параметров электрической цепи.

6. Объяснить имеющие место расхождения результатов по графическим данным.

Содержание отчета

1. Краткие теоретические сведения.

2. Рабочая моделируемая схема в принятых УГО.

3. Таблица и графики результатов эксперимента.

4. Основные вычисления.

5. Выводы по работе.

Контрольные вопросы

1. Дать определение закону, устанавливающему соотношения между величи­нами U, I и R замкнутой электрической цепи?

2. Чему равно сопротивление цепи, состоящей из 5-ти последовательно соединенных омических компонент R равных величин?

3. Как влияет электрическая мощность компонент Rl, R2, R3 цепи на показания PV и РA?

4. Как изменится общий ток I цепи из трех параллельно соединенных компонент R одинаковых по значению, если один из них отсоединить?

5. Что показывает проводимость G электрической цепи и в чем необходимость ее расчета?

Лабораторная работа №5

ИЗУЧЕНИЕ РАБОТЫ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО

СТАБИЛИЗИРОВАННОГО ВЫПРЯМИТЕЛЯ

Цель работы: ознакомление с особенностями работы и характеристиками полупроводникового стабилизированного выпрямителя.

Общие сведения

Выпрямители переменного напряжения предназначены для первичного преобразования переменного тока (напряжения) в постоянный, и обычно содержат: понижающий трансфор-матор и полупроводниковый диодный или тиристорный (управляемый) выпрямитель. Последние бывают однополупериодными (имеют один или два выпрямительных диода – см. лаб. работу № 1) и двухполупериодными (выполняются на диодном мосте).

Наибольшее распространение получили двухполупериодные выпрямители переменного напряжения из-за более высоких выходных параметров (уровня пульсаций ΔU_ПУ), чем первая группа устройств (рис. 1).

Рис.1. Схемы двухполупериодного выпрямителя (а), диодного моста (б) и временные диаграммы (в) работы выпрямителя

Здесь в течение положительных полупериодов ток I₁ проходит через открытые диоды VD1, VD3, а в течение отрицательных полупериодов ток I₂ – через диоды VD2, VD4. В результате через ограничивающее сопротивление R в нагрузку R_H в одном направлении проходит пульсирующий ток I_Н с удвоенной частотой сетевого напряжения I_ВХ (см. рис. 1.в). Для уменьшения напряжения пульсации U_A → U_ПУ параллельно нагрузке R_Н (если это допустимо) включают конденсатор С большой емкости (электролитический), образуя, тем самым, НЧ-фильтр для сглаживания пульсаций напряжения.

Среднее значение выпрямленного напряжения U_cp с учетом сопротивлений диодов VD1–VD4 R_VD и ограничителя R можно определить из известного выражения:

где U₁ – напряжение на вторичной обмотке трансформатора Тр выпрямителя.

Д ля выбора выпрямительных диодов VD1 – VD2 необходимо знать величину прикладываемого к ним обратного напряжения, которое вычисляют следующим образом:

При всей простоте построения выпрямителей напряжения (см. рис. 1) они не обеспечивают высокого качества выпрямления тока I_Н из-за наличия существенной пульсации напряжения U_ПУ. Для ее снижения в схему выпрямителя дополнительно вводят электронные стабилизаторы напряжения (тока), которые могут быть выполнены по различным схемным решениям в зависимости от назначения и требований к уровню пульсаций выходного напряжения (рис. 2).

Рис.2. Схемы электронных стабилизаторов напряжения: а) диодный, б) диодно-транзисторный, в) транзисторный, U₀ – выпрямленное напряжение, U_СТ – напряжение стабилизации

Каждая из этих схем имеет разный коэффициент k_СТ стабилизации, и чем он выше, тем меньше уровень пульсации U_ПУ выходного напряжения обеспечивает схема. Здесь наибольшим значением k_СТ обладает транзисторный стабилизатор на­пряжения (см. рис. 2.в) и одновременно высоким значением I_Н, например, относи­тельно диодной (параметрической) схемы (см. рис. 2.а), т.е. k_ст ≤ 500 при I_H ≤ (5... 10)А. Для обеспечения k_СТ ≥ 2000 в схемах стабилизаторов напряжения применяют специальные ИМС, например ИМС серии К142, К143 и т.д., которые имеют защиту выходного каскада (проходного транзистора VT1– рис. 2) в случае КЗ (короткого замыкания) по цепи нагрузки R_Н, что повышает их надежность при работе в экстремальных режимах. Подробнее с подобными стабилизированными выпрямителями можно познакомиться в источнике [7].

Наиболее часто в различных выпрямительных устройствах технологического оборудования используются диодные (параметрические) и диодно-транзисторные схемы (см. рис. 2.а, б) стабилизаторов напряжения. В качестве элемента стабилизирующего напряжение U_CT в цепи нагрузки R_H здесь выступает параметрический стабилитрон VD5 (например, КС133А, КС147А, Д814А... Д, Д815А...Г и др.), который имеет соответствующие паспортные значения U_СТ и рассчитан на определенный прямой ток стабилизации I_СТ. Для увеличения U_CT и I_CТ их можно включать последовательно (I_CT = const) или параллельно (U_CT = const), исходя из условий ра­боты схемы, где) I₀ = I_СТ+ I_Н и U₀ = U_R+U_CT.

В системе EWB ver. 5.0 в качестве стабилитрона следует использовать диод Зенера (Zener diod). В схему он включается как обыкновенный диод, а не как ста­билитрон, и через таблицу параметров (Models/Edit/Sheet1/Zener diod at… = ? В) задается требуемое напряжение стабилизации, например, U_СТ = 5,6 В.

Изменение выпрямленного напряжения U₀ выпрямителя на величину ±ΔU (скачек сетевого напряжения Ũ_BX) приводит к дифференциальному приращению напряжения на резисторе R и стабилитроне VD5 (за счет изменения его сопротив­ления R_VD5) U₀ = (U_R ± ΔU) + (U_CT ± ΔU) => Const, что не приводит к дрейфу на­пряжения на нагрузке R_H. Величина выходного токa I_Н здесь соизмерима с током, I_СТ стабилитрона VD5, что в ряде случаев оказывается недостаточным.

Для увеличения I_Н применяют диодно-транзисторную схему (см. рис 2.б), включив в выходную цепь проходной (силовой) транзисторный ключ VT1 Управляя напряжением его базы U_Б = U_CT можно изменять величину проходного тока I_ПР =I₀ –I_СТ ≈ I_Н являющегося током нагрузки R_H без учета тока утечки I_{об. VT1} через VT1. Принцип работы данной схемы не изменился, т.е. U₀ = U_СТ + U_R1 = U_бVT1 + U_RH.

Недостатком рассмотренных схем при всей их простоте построения и надежности, является невысокий коэффициент стабилизации k_ст = 100..200, что ограничивает область их использования, особенно в прецизионных системах управления автоматизированного технологического оборудования.

Порядок выполнения работы

1. Внимательно ознакомиться с теоретическим положением работы.

2. Для проведения исследования работы стабилизированного полупроводникового выпрямителя в среде EWB необходимо собрать следующую схему (рис 3) дополнив ее необходимыми измерительными приборами и индикаторными элементами (при необходимости).

3. Установить параметры элементов схемы: Ũ_BX= 127...250 В, приборы РА1, PV1, PV2 и РА2, PV3 перевести на измерение переменной (АС) и постоянной (DC) составляющей электрического тока, коэффициент трансформации трансформатора Тр задать k_тр = N1/N2 = 10, ток диодного моста VDl…VD4 (Models/Edit/Sheet1/Saturation... = 2А) задать I₂ = 2А, напряжение стабилизации стабилитрона VD5 (диод Зенера) - U_CT = 5,6 В, проходной ток транзистора VT1 (Models/Edit/ewba/PQL/Sheetl /Saturation... = 2А) установить I_ПР = 2 А.

4. Исследовать характер изменения тока I_Н в цепи нагрузки (РА2) и выходного напряжения U_ВЫХ (PV3) при разных значениях R1 = 100...500 Ом и R3 = 0..10 кОм. Провести 5-6 измерений по каждому из процессов и данные занести в таблицу измерений:

Таблица 1

№ опыта	R1, кОм	UВХ, В	IН, А	UВЫХ, В	R3, кОм	UВХ, В	IН А	UВЫХ В
1
2
3
4
5

и построить графики зависимостей U_ВЫХ = f(I_H) и U_ВЫХ = f(U_ВХ)

5. Исследовать форму сигналов в характерных точках A...F схемы (осциллограф), зарисовать их и дать объяснение. Проследить, как влияет параметр стабилитрона VD5 (U_СТ), номинал сопротивления R2 = 0,1...0,5 кОм и емкости С1 = 50...4000 мкФ на величину и форму выходного сигнала. Отразить это в отчете.

Содержание отчета

1. Основные теоретические сведения.

2. Рабочие схемы, расчеты, таблицы и графики.

3. Вывод по работе.

Контрольные вопросы

1. Как работает мостовой выпрямитель?

2. Назовите основные методы по уменьшению пульсаций выходного напряжения?

3. Роль трансформатора Тр, его тип в схеме выпрямления переменного тока и можно ли от него отказаться, в каких случаях?

4. Необходимость применения стабилитрона VD5 в схеме электронного стабилизатора (рис. 2, 3) ?

4. Как повысить выходную мощность (I_H) стабилизированного выпрямителя?

Лабораторная работа № 6

УСИЛИТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Цель работы: изучение работы транзисторного однокаскадного усилителя постоянного тока (электронного ключа).

Общие сведения

Электронные усилители предназначены для усиления сигнала по току, напряжению или мощности (по току и напряжению одновременно) и выполняются одно- и многокас-кадными. Роль усилительного элемента здесь выполняют активные элементы – транзисторы, операционные усилители. Поскольку области применения усилителей могут быть самыми различными, их построение также отличается большим разнообразием [2, 6, 7].

Широко применяются транзисторные усилители, которые отличает сверхширокий частотный диапазон и малое энергопотребление. Чаще всего их используют для построения первых каскадов усиления усилительной аппаратуры, где требуется обеспечить высокое качество (по минимуму шумов) информационного сигнала.

В соответствии с назначением усилителей основными показателями их рабо­ты являются величины усиления и искажения входного (полезного) сигнала. Пер­вый показатель оценивается по величине коэффициента усиления , где U_bx, и U_ВЫХ – значения сигнала на входе и выходе усилителя напряжения. Степень искажения входного сигнала зависит от многих факторов: типа ак­тивного элемента, схемы построения усилителя, режима работы и др. Например, с увеличением частоты входного сигнала транзисторный каскад теряет усилитель­ные свойства ( ), что ведет к искажениям сигнала.

Усилители постоянного тока (УПТ) находят широкое применение в элек­тронной цифровой технике по управлению исполнительными устройствами (реле, электродвигатели и др.) и работают обычно в ключевом режиме, осуществляя усиление постоянной составляющей входного сигнала. Такие усилители, сопран­ные на одном или двух параллельно соединенных активных элементах (транзисторах) бывают однокаскадными, в противном случае - многокаскадными.

На рис. 6.1 приведена схема простейшего однокаскадного УПТ, которая содержит транзистор VT, включенный по схеме ЭО, источник входного сигнала Ū_BX, токоограничивающий резистор R_к в цепи коллектора VT и нагрузочный элемент R_н.

К огда транзистор закрыт ( ) его коллекторный ток течет в цепь нагрузки R_h. По мере увеличения входного напряжения происходит открывание КЭ-перехода VT и увеличение тока эмиттера , где - коэффициент усиления VT по постоянному току (паспортные данные), R_Б - сопротивление, ограничивающее ток базы I_Б; транзистора VT.

Рис.6.1. Схема транзисторного УПТ

Наблюдается перераспределение тока I_Н нагрузки. По мере насыщения транзистора VT при достижении (режим насыщения) ток нагрузки уменьшается до нулями . При этом каскад теряет усилительные свойства, и наблюдаются сильные искажения сигнала. Рост тока коллектора I_К VT ограничен величинами питающего напряжения Е_П и сопротивления R_K. выбирае­мого из условия , при котором тепловой или токовый пробой КЭ-перехода транзистора при пиковых значениях U_ВХ.