ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«Тюменский государственный нефтегазовый университет»

ИНСТИТУТ НЕФТИ И ГАЗА

Кафедра «Автоматизация и управление»

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

по дисциплине «АПП в бурении»

для выполнения лабораторной работы

для студентов направлений:

«Нефтяное бурение»

всех форм обучения

ЛАБОРТОРНАЯ РАБОТА №1

«ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ ОПЕРАЦИОННОГО УСИЛИТЕЛЯ»

Председатель РИС Зам.директора ИНиГ по учебно-

___________ Пашкин Д.А. методической работе

___________ Ефремова В.В.

«___»__________2008г

Подписи и телефоны Зав. Кафедрой « АиУ»

Авторов ______________Мусихин С.А.

___________ Мусихин С.А.

тел. 20-30-28 Протокол №___

от «__»_______ 2008

Председатель учебно-методического

совета ИНиГ

__________Сорокина М.Р.

«___»_________ 2008г

Тюмень – 2008г

Утверждено редакционно-издательским советом Тюменского государственного нефтегазового университета

Составители: Мусихин С.А.

(С) Тюменский государственный нефтегазовый университет, 2008 г

Лабораторная работа n 1

УСИЛИТЕЛИ СИСТЕМЫ АВТОМАТИКИ

ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Изучить устройство, принцип действия, применение операционных усилителей в системах автоматики. Снять статические характеристики и определить коэффициенты усиления усилителя.

1. Общие положения

В системах автоматики операционные усилители увеличивают величину электрического напряжения входного сигнала, так как сигналы датчиков, как правило, имеют мощность недостаточную, чтобы привести в действие тот или иной механизм или не могут передаваться на расстояние от объекта управления. Поэтому, почти всегда в системе автоматики необходимо усиление сигнала.

Операционным усилителем называется устройство для преобразования малого по амплитуде сигнала электрического напряжения в более мощный выходной сигнал за счет энергии постороннего источника питания. В зависимости от вида энергии вспомогательного источника усилители делятся на электри­ческие, гидравлические, пневматические и комбинированные.

Основным видом усилителей систем автоматики являются электри­ческие, которые в зависимости от физического принципа, положенного в основу процесса усиления, могут быть электронными, магнитными, электромеханическими и другими.

К электромеханическим усилителям относятся электромашинные усилители и электромагнитные реле. Электромашинные усилители (ЭМУ) сейчас применяются редко, так как появление мощных тирис­торов , способных переключать токи до нескольких тысяч ампер, позволяет создавать более совершенные усилители с выходной мощ­ностью до десятков киловатт. ЭМУ - это электрическая машина пос­тоянного тока, которая имеет специальные обмотки управления и приводится в действие двигателем переменного тока. Недостатками такого усилителя является наличие трущихся контактов, большие габариты, невысокий КПД . Электромагнитные реле , несмотря на сравнительно невысокие надежность, долговечность и ограниченное быстродействие, в ряде случаев успешно конкурируют с транзисторными и тиристорными усилителями. В электромагнитных реле элект­рический сигнал преобразуется в перемещение якоря электромагнита, которое вызывает замыкание и размыкание контактов. Электро­магнитные реле можно рассматривать как один из видов усили­телей , так как мощность сигнала, необходимого для срабатывания реле, существенно меньше мощности , которой управляют контакты реле. Магнитные усилители (МУ) представляют собой устройство, состоящее из ферромагнитного сердечника и обмоток . Принцип действия МУ основан на нелинейном характере кривой намагничива­ния материала сердечника: В = f(H) .

В настоящей лабораторной работе рассматриваются электронные усилители, в которых используются полупроводниковые: операционные усилители.

Операционные усилители используются для усиления слаботочных сигналов. Операционные усилители (ОУ) используются в схемах усилителей сигналов датчиков технологического оборудования, а так же в схемах преобразования входных и выходных сигналов систем автоматики.

Операционным усилителем принято называть интегральный усилитель постоянного тока с большим коэффициентом усиления, с помощью которого можно строить узлы аппаратуры с параметрами, зависящими только от свойств цепи отрицательной обратной связи.

Основным параметром, характеризующим любой усилитель, является коэффициент усиления. Эта величина определяется как отношение выходного сигнала к входному

K=Y(t)/X(t) (1)

где X(t) - входной сигнал;

Y(t) - выходной сигнал.

В зависимости от вида цепи ОС различают инвертирующее и не-инвертирующее ОУ . Фаза выходного сигнала инвертирующего усилителя ( рис.2,а ) сдвинута на 180 градусов относительно фазы входного сигнала . Коэффициент передачи К этой схемы в идеальном случае определяется по формуле:

K=R_oc/R1 (2)

Инвертирующее включение - основа большинства схем обработки сигналов. На базе этой схемы строятся дифференциальные усилители постоянного тока, мостовые усилители, аналоговые интеграторы, дифференциальные схемы, усилители переменного тока, стабилизаторы напряжения, а также схемы логарифмических усилителей, мультивибраторов. С помощью логарифмических усилителей, в свою очередь можно построить устройства умножения, деления, возведения в квадрат.

Неинвертирующее включение ОУ ( рисунок 2,б ) применяется в тех случаях, когда необходимо согласовывать маломощный источник сигнала, обладающий большим внутренним сопротивлением с низкоомной нагрузкой. В этой схеме фаза выходного сигнала повторяет фазу входного. Коэффициент передачи идеального ОУ в неинвертирующем включении определяется по формуле:

K=1+R_oc/R_вх (3)

Неинвертирующее включение - базовая схема масштабных усилителей напряжения.

Сравнительно низкое допустимое значение напряжения на входе и цепях питания, малые мощности сигналов на выходе сдерживают при­менение ОУ в электротехнической аппаратуре, цепях электропривода и управления электродвигателями, схемах дистанционного управления и т.д.

Кроме коэффициента усиления, усилители характеризуются чувст­вительностью, динамическими свойствами, величинами выходных и входных сопротивлений, коэффициентом полезного действия.

2. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ И ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

2.1 Исследование схем операционных усилителей

1. Собрать схему инвертирующего включения ОУ согласно рис.5 .

2. Подать напряжение питания ( с помощью тумблера SA1 , расположенного на стенде ) .

3. Потенциометр R2 установить в 0 положение , а с помощью R12 установить-нуль по шкале вольтметра PV2 .

4. Включить в цепь обратной связи сопротивление R6 = 1к0м , ручкой потенциометра R2 плавно изменять входное напряжение ОУ от О до 10 В и записывать показания вольтметра PV2 на выходе ОУ через каждые 1В увеличения напряжения на входе усилителя. Регистрировать значения входного напряжения с помощью вольтметра PV1 .

5. Проделать аналогичный опыт при сопротивлении в цепи обратной связи R7 = 10к0м и R8 = 100 кОм . Увеличивать входное напряжение следует при этом через каждые 0.1В и 0.01В, соответственно.

6. Результаты измерений занести в таблицу 2 . Определить коэффициент усиления К при различных значениях Roc.

7. Выключить тумблер SA1.

8. Собрать схему неинвертирующего включения ОУ , согласно рис.6.

9. Подать напряжение питания, включив тумблер SA1 , и повторить пункты 3,4,5,6,7 для этой схемы включения ОУ .

10. Построить графики U_вых = f(U_вх) для различных схем включения ОУ при различных Roc.

Отчет по лабораторной работе должен содержать:

• цель лабораторной работы;

• краткое описание принципа работы тиристорного усилителя мощности и усилителей , собранных на операционных усилителях ;

• схемы включений усилителей для лабораторных испытаний;

• таблицы экспериментальных данных;

• графики статических характеристик усилителей;

• краткие выводы о проделанной работе.

Таблица 2 - Результаты снятия статических характеристик операционных усилителей

ИНВЕРТИРУЮЩИЙ УСИЛИТЕЛЬ
Uвх,B при (Roc=1k0m)	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
Uвых,B
Uвх,B при (Roc=10 k0m)	0	0,1	0,2	0,3	0,4	0,5	0,6	0,7	0,8	0,9	1
Uвых,B
Uвх,B при (Rос=100 k0m)	0	0,01	0,02	0,03	0,04	0,05	0,06	0,07	0,08	0,09	0,1
Uвых,В
	НЕИНВЕРТИРУЮЩИЙ УСИЛИТЕЛЬ
Uвх,B при (Roc=1k0m)	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
Uвых,B
Uвх,B при (Roc=10 k0m)	0	0,1	0,2.	0,3	0,4	0,5	0,6	0,7	0,8	0,9	1
Uвых,B
Uвх,B при (Rос=100 k0m)	0	0,01	0,02	0,03	0,04	0,05	0,06	0,07	0,08	0,09	0,1
Uвых,В

3. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Объяснить устройство тиристора и нарисовать его вольт-амперную характеристику.

2. Виды тиристоров и их обозначение.

3. Объяснить принцип действия простейшего тиристорного усилителя.

4. Какие достоинства и недостатки тиристорных усилителей вы можете отметить?

5. Приведите примеры применения тиристорных усилителей в технике.

6. Что называется операционным усилителем?

7. Объяснить основные схемы включения ОУ и их практическое использование.

8. Какие достоинства и недостатки имеют операционные усилители.

9. Привести примеры использования операционных усилителей.