Физика примеры решения задач Электротехника Задачи и лабораторные работы Математика примеры решения задач Вычислить интеграл Информатика Компьютерные сети Компьютерная математика
Исследование полевых транзисторов Исследование биполярных транзисторов Полупроводниковые выпрямители Электронный усилитель на транзисторах Лабораторная работа Исследование стабилитронов Исследование варикапов

Методические указания лабораторные работы по электронике

По выполнению лабораторной работы по дисциплине первичные измерительные преобразователи

Цель работы

I.I. Ознакомится с принципом дествия индуктивных и трансформаторных датчиков, датчиков перемещения и схемами их включения в измерительные электрические цепи.

I.2. Экспериментальным путем оптимизировать частоту напряжения питания измерительной схемы индуктивного и трансформаторного преобразователей по критерию максимальной чувствительности.

2.Основные теоретические положения.

Индуктивными называются преобразователи, преобразующие значение измеряемого перемещения в значение индуктивности.

Рис.1.

На рис.1. представлен простейший индуктивный преобразователь, состоящий из неподвижного магнитопровода 2, на котором расположена катушка 4 с числом витков W1, и подвижной пластины I. Пластина I и магнитопровод 2 выполнены из ферромагнитного материала. Последовательно с обмоткой 4 включен миллиамперметр 3. К концам обмотки подано напряжение переменного тока

U = const

Индуктивность обмотки

  (I)

где Ф – магнитный поток,

I – ток, протекающий по катушке.

Величину магнитного потока можно определить используя выражение

  (2)

где  – магнитное сопротивление магнитопровода;

 – число витков катушки;

 – магнитное сопротивление участков из стали;

  – магнитное сопротивление воздушных участков магнитопровода;

  – реактивная составляющая сопротивления магнитной цепи, обусловленная потерями на вихревые токи и гистерезис.

С учетом (2) уравнение (1) примет вид

 (3)

где  - величина воздушного зазора между подвижной и неподвижной частями магнитопровода;

  - площадь воздушного зазора;

  - магнитная проницаемость воздуха;

  (4)

 - длина неподвижной и подвижной части магнитопровода, определенная по средней линии,

  - магнитная проницаемость материала магнитопровода, 

  - площадь сечения неподвижной и подвижной частей магнитопровода.

Если подвижный магнитопровод жестко соединить с объектом, перемещение X которого измеряется (рис.1), то при изменении X изменяется и величина воздушного зазора , что приведет к изменению магнитного сопротивления , а следовательно и индуктивности  катушки (см. уравнение 3)

При изменении индуктивности катушки будет изменятся и ее индуктивное сопротивление , а следовательно и величина тока, протекающего по катушке имеет вид

  (5)

где - активное сопротивление цепи,

 - частота переменного напряжения, питающего катушку преобразователя.

Если на магнитопровод (рис.1) поместить не одну, а две обмотки с числом витков W1 и W2 соответственно, то при изменении магнитного сопротивления магнитопровода  будет изменятся взаимная индуктивность М между обмотками

 (6)

Преобразователи, преобразующие значение изменяемого механического перемещения X в значение взаимной индуктивности обмоток, называются трансформаторными.

Очевидно, что с ростом зазора  величина  будет возрастать, взаимная индуктивность будет уменьшатся, следовательно будет уменьшатся и величина ЭДС, наводимая в обмотке .

Рис.2.

Преобразователь, изображенный на рис.1 называется преобразователем с замкнутой магнитной цепью или преобразователем с малым воздушным зазором. Измеряемое перемещение таких преобразователей обычно лежит в пределах 1-5 мм.

На рис.2, а представлен преобразователь с разомкнутой магнитной цепью. Он представляет собой катушку 1, внутри которой может перемещаться сердечник 2, выполненный из магнитно-мягкого материала.

Сердечник связан с объектом, перемещение X которого измеряется. Перемещение сердечника вызывает изменение индуктивности катушки. Такой тип преобразования применяется для измерения перемещений от 5 до 100 мм.

Для вышерассмотренных преобразователей характерно, что сопротивление магнитных участков магнитопровода  и реактивная составляющая сопротивление магнитной цепи  много меньше, чем сопротивление воздушного участка магнитопровода, т.е.

  и

В связи с этим обстоятельством уравнение (3) в первом приближении можно представить в виде  (7)

Из уравнения (7) видно, что индуктивность L  и индуктивное сопротивление катушки W1 c ростом зазора  изменяется по гиперболическому закону (рис.3), т.е. функция преобразования нелинейна, что затрудняет практическое в измерительных приборах.

На рис.3 представлена зависимость комплексного сопротивления обмотки  индуктивного преобразователя от величины воздушного зазора . Для уменьшения погрешности нелинейности рабочий диапазон измеряемых перемещений ограничивают величиной , где  - начальное значение воздушного зазора в магнитной цепи. В этом диапазоне функцию преобразования  с погрешностью порядка I % можно аппроксимировать прямой линией.

Рис.3.

Для уменьшения погрешности нелинейности функции преобразования широко применяются дифференциальные индуктивные преобразователи. На рис.2,б представлена схема такого преобразователя.

Две идентичные по параметрам катушки с числом витков  и  имеют общий стальной сердечник I, симметрично расположенный внутри катушек. В этом случае индуктивные сопротивление катушек   и  равны, равны и их

комплексные сопротивления  и .

При включении этих катушек в качестве плеч мостовой схемы (рис.2,б), в которой 

Z3=Z4 - постоянные комплексные сопротивления, напряжение между точками "а" и "б" измерительной диагонали моста будет равно нулю и ток указателя УК будет также равен нулю.

При смещении сердечника I на величину измеряемого перемещения X вправо индуктивное сопротивление катушки  уменьшится, а катушки  - возрастет, что приведут к разбалансу мостовой измерительной схемы и появлению тока  в измерительной диагонали моста «а - б».

Ток указателя для дифференциальной схемы включения определяется выражением ,  (8)

где ,  - комплексные сопротивления катушек W1 и W2 дифференциального индуктивного преобразователя перемещений K1 - коэффициент, зависящий от величины комплексных сопротивлений Z3 и Z4 двух других плеч мостовой схемы и от внутреннего сопротивления указателя.

Графики изменения комплексных сопротивлений Z1 и Z2 катушек W1 и W2 дифференциального индуктивного преобразователя от перемещения Х представлены на рис.3. На этом же рисунке изображена функция, характеризующая закономерность изменения разности Z1-Z2 от измеряемого перемещения X.

Из приведенного графика следует, что зависимость  имеет более линейный характер, чем каждая из функции  и .

Поэтому при той же допустимой погрешности аппроксимации функции преобразования (~I%), что и в обычном индуктивном преобразователе, рабочий диапазон дифференциального преобразователя расширяется примерно в 4 раза (см. рис.3): с  до . Кроме того, в таком преобразователе существенно снижаются погрешности, обусловленные влиянием изменения температуры окружающей среды, поскольку при этом параметры W1 и W2 изменяются одинаково как по величине, так и по знаку и это не приводит к появлению дополнительной аддитивной погрешности.

На рис.2,в приведена схема дифференциального трансформаторного преобразователя перемещений. В этом случае на каркас катушки W1 концентрично с ней наматывается обмотка W3. Соответственно на каркас катушки W2 наматывается обмотка W4. При этом W1 = W2 и W3 = W4.

При симметричном положении сердечника коэффициенты взаимной индуктивности M1, обмоток W1 и W3 и M2 обмоток W2 и W4, равны. Тогда ЭДС, наводимые в обмотках W3 и W4 будут равны, и, поскольку катушки W1 и W2 включены в измерительную схему встречно, ток указателя  будет равен нулю. При смещении сердечника под действием измеряемого перемещения Х равенство коэффициентов взаимной индуктивности двух пар катушек нарушается, ЭДС, наводимые в обмотках W3 и W4 будут иметь равную величину и по указателю, имеющему внутреннее сопротивление RН, потечет ток IУК, величина которого будет практически линейно связана с измеряемым перемещением Х.

Следует отметить, что чувствительность рассмотренных измерительных схем - (рис.2,б, 2,в) зависит от соотношения сопротивлений RН и Z01=Z02=Z0, где RН - внутреннее сопротивление измерительного прибора (указателя).

Условие согласования сопротивления указателя RН с выходным сопротивлением моста, при котором обеспечивается максимальная чувствительность, для мостовой схемы (рис.2,б), определяется соотношением

  (9)

где  – частота питающего напряжения,

L0 – индуктивность каждой из катушек с числом витков W1 и W2 (W1 = W2) при симметричном положении сердечника катушек,

Z0 – полное сопротивление каждой из катушек W1 и W2.

Из последнего уравнения следует, что при заданных значениях RН (известен тип применяемого измерительного прибора) и L0 режим оптимальной чувствительности можно получить путем подбора частоты питающего напряжения .

В данной лабораторной работе подбор частоты питающего напряжения с целью обеспечения максимальной чувствительности осуществляется не расчетным, а экспериментальным путем.

Лабораторная работа № 8

УСИЛИТЕЛЬНЫЙ КАСКАД ПРИ ВКЛЮЧЕНИИ

ТРАНЗИСТОРА ПО СХЕМЕ С ОБЩИМ

КОЛЛЕКТОРОМ

Цель работы. Экспериментальное определение основных параметров и характеристик усилительного каскада при включении биполярного транзистора по схеме с ОК.

Усилительный каскад на биполярном транзисторе с ОК (рис. 8.1) часто называют так же эмиттерным повторителем. Такое название возникло из-за того, что:

нагрузка включена в цепь эмиттера этого каскада;

фазы входного напряжения и напряжения на нагрузке совпадают;

коэффициент усиления каскада по напряжению близок к единице (реально он немного меньше единицы).

Таким образом, напряжение на выходе рассматриваемого усилителя (на нагрузке) практически повторяет входное.

Повторители обладают большим входным и малым выходным сопротивлениями. Их используют в качестве согласующих каскадов, когда к источнику сигналов с большим внутренним сопротивлением необходимо подключать малое сопротивление нагрузки или каскад усиления с малым входным сопротивлением. Входное сопротивление повторителя в большой степени определяется сопротивлением делителя R1, R2, а также зависит от сопротивления нагрузки.

Сравнение параметров и характеристик усилительных каскадов с ОЭ и ОК приводит к следующим выводам:

Коэффициент усиления по напряжению KU в каскаде с ОК меньше единицы, в то время как в каскаде с ОЭ он больше единицы.

Входное сопротивление Rвх каскада с ОК всегда больше чем каскада с ОЭ, а выходное сопротивление Rвых, наоборот, всегда меньше.

Коэффициент усиления по току KI в каскаде с ОК чаще всего выше, чем в каскаде с ОЭ.

Коэффициент усиления по мощности KP в каскаде с ОК несколько меньше, чем в каскаде с ОЭ.


В эмиттерном повторителе отсутствует сдвиг фазы между входным и выходным напряжениями, а в каскаде с ОЭ он равен 180°

Лабораторная работа №1

Исследование полупроводниковых выпрямительных диодов

Цель работы - ознакомление с основными параметрами и характеристиками полупроводниковых выпрямительных диодов.

Общие сведения

 Полупроводниковым диодом называют электропреобразовательный полупроводниковый прибор с одним или несколькими p-n-переходами и двумя выводами.

 Структура полупроводникового диода с электронно-дырочным переходом и его условное графическое обозначение приведены на рис. 1, а, б.

 

 

 а б

  Рис. 1

 Буквами p и n обозначены слои полупроводника с проводимостями соответственно p-типа и n-типа. Обычно концентрации основных носителей заряда (дырок в слое p и электронов в слое n) сильно различаются. Одна из областей p-n-структуры, называемая эмиттером, имеет большую концентрацию основных носителей заряда, чем другая область, называемая базой.

 В зависимости от основного назначения и вида используемого явления в p-n-переходе различают шесть основных функциональных типов электропреобразовательных полупроводниковых диодов: выпрямительные, высокочастотные, импульсные, туннельные, стабилитроны, варикапы. Каждый тип диода содержит ряд типономиналов, регламентированных соответствующим ГОСТом.

На рис. 2 представлены структуры планарно-эпитаксиального (а) и сплавного (б) диодов. База и эмиттер образуют омические переходы (контакт) с электродами. К электродам подсоединены металлические выводы, посредством которых диод включается в цепь.

 а б 

 Рис. 2

 Основной характеристикой полупроводниковых диодов служит вольт-амперная характеристика. В отличие от характеристики идеального p-n- перехода (пунктирная кривая на рис. 3,а), характеристика реального диода (сплошная кривая на рис. 3,а) в области прямых напряжений U располагается несколько ниже из-за падения части приложенного напряжения на объёмном сопротивлении базы диода r .

  Уравнение вольт-амперной характеристики имеет вид:

 

где U - напряжение на p-n-переходе; I0 -обратный (или тепловой) ток, - температурный потенциал электрона.

 а б

 Рис. 3

В области обратных напряжений можно пренебречь падением напряжения в объёме полупроводника. При достижении обратным напряжением определённого критического значения ток диода начинает резко возрастать. Это явление называют пробоем диода.


Методические указания к выполнению лабораторных работ по электронике