Общие сведения. 1.1.1. Компоновка оборудования

1.1.1. Компоновка оборудования

Общая компоновка ручного варианта типового комплекта оборудования в стендовом исполнении показана на рис. 1.1. На лабораторном столе закреплена рама, в которой устанавливаются блок генераторов с наборным полем, блок мультиметров, блок ваттметра и блок однофазного источника питания. Расположение блоков в раме жёстко не фиксировано. Оно может изменяться для удобства проведения того или иного конкретного эксперимента. На стол устанавливается осциллограф. Однофазный источник питается от трёхпроводной однофазной сети (фаза, ноль и земля). В нём смонтированы устройство защитного отключения при нарушении изоляции, автомат для защиты от сверхтоков и блок розеток и разъёмов (на тыльной стороне блока) для подключения всех остальных блоков и осциллографа.

Рис.1.1

В выдвижных ящиках стола хранятся набор миниблоков, соединительные провода, перемычки и шнуры питания, методические материалы. Ящики имеют встроенные замки.

В настольном исполнении всё оборудование располагается на столе заказчика, а конструкция рамы изменена таким образом, чтобы она устойчиво стояла на столе без какого либо крепления.

1.1.2. Блок генераторов напряжений с наборным полем

Общий вид блока генераторов напряжений показан на рис. 1.2. В левой части расположены органы управления источников питания, в правой – гнёзда для подключения исследуемых элементов электрической цепи (миниблоков). В нижней части показан фрагмент электрической цепи, собранной на наборном поле.

Рис.1.2

Все источники напряжений включаются и выключаются общим выключателем «СЕТЬ» и защищены от внутренних коротких замыканий плавким предохранителем с номинальным током 0,5 А.

На лицевой панели блока указаны номинальные напряжение и ток каждого источника напряжения, а также диапазоны изменения регулируемых выходных величин. Все источники напряжений имеют общую точку «0», не соединённую с заземлённым корпусом блока. Источники защищены от перегрузок и внешних коротких замыканий самовосстанавливающимися предохранителями с номинальным током 0,2 А. О срабатывании предохранителя свидетельствует индикатор «I >».

Источник синусоидальных напряжений содержит трёхфазный регулируемый по амплитуде выходного напряжения преобразователь однофазного напряжения 50 Гц в трёхфазное напряжение (U _ф = 0…8 В). Выходное сопротивление трёхфазного источника в рабочем диапазоне токов близко к нулю.

Генератор напряжений специальной формы вырабатывает на выходе синусоидальный, прямоугольный двухполярный, прямоугольный однополярный или треугольный сигнал в зависимости от положения переключателя «ФОРМА». Выходное сопротивление генератора в рабочем диапазоне токов также близко к нулю. Частота сигнала регулируется десятиоборотным потенциометром «ЧАСТОТА» с цифровой индикацией положения подвижной части и переключателем диапазонов «МНОЖИТЕЛЬ». Имеется три диапазона регулирования частоты:

×1 – от 25…30 до 1020…1025 Гц (индикация в окошке счётчика соответствует частоте в герцах);

×10 – от 250…300 до 10200…10250 Гц (показание счётчика, умноженное на 10, соответствует частоте в герцах);

×100 – от 2500…3000 до 102000…102500 Гц (показание счётчика, умноженное на 100, соответствует частоте в герцах).

Частота выходного напряжения не зависит как от формы и амплитуды сигнала, так и от тока нагрузки.

Амплитуда выходного сигнала регулируется потенциометром «АМПЛ». При положениях переключателя диапазонов ×1 и ×10 амплитуда регулируется от 0 до 12…12,5 В, а при положении ×100 - от 0 до 6…6.5 В.

Генератор постоянных напряжений содержит два источника стабилизированного напряжения +15 В и – 15 В относительно общей точки 0 и регулируемый источник от -13 В до + 13 В. Выходные сопротивления этих источников также близки к нулю. Регулируемый источник допускает режим работы с обратным током (режим потребления энергии).

Наборная панель, расположенная справа от генератора напряжений служит для расположения на ней миниблоков в соответствии со схемой данного опыта.

Гнёзда на этой панели соединены в узлы, как показано на ней линями. Поэтому часть соединений выполняется автоматически при установке миниблоков в гнёзда панели. Остальные соединения выполняются проводами и перемычками. Так на фрагменте цепи, показанной на рис.1.2, напряжение от фазы С трёхфазного источника подводится с помощью перемычки к одной из обмоток трансформатора. К другой обмотке подключены резистор и конденсатор, соединённые последовательно. Общая точка «0» источников подсоединена к цепи проводом.

Для измерения токов в ветвях цепи удаляется одна из перемычек и вместо неё в образовавшийся разрыв включается амперметр. Для измерения напряжений на элементах цепи параллельно рассматриваемому элементу включается вольтметр.

1.1.3. Набор миниблоков

Миниблоки представляют собой отдельные элементы электрических цепей (резисторы, конденсаторы, индуктивности диоды, транзисторы и т.п.), помещённые в прозрачные корпуса, имеющие штыри для соединения с гнёздами наборной панели. Некоторые миниблоки содержат несколько элементов, соединённых между собой или более сложные функциональные блоки. На этикетках миниблоков изображены условные обозначения элементов или упрощённые электрические схемы их соединения, показано расположение выводов и приведены основные технические характеристики. Миниблоки хранятся в специальном контейнере. Общий вид контейнера с миниблоками представлен на рис. 1.3.

В табл. 1.1 приведены характеристики одноэлементных миниблоков, а ниже дано описание более сложных миниблоков.

Таблица 1.1

Наименование и характеристики	Кол.	Наименование и характеристики	Кол.
1. Резисторы МЛТ, 2 Вт, ±5%: 2,2 4,7 10 Ом 22 Ом 33 Ом 47 Ом 100 Ом 220 Ом 330 Ом 470 Ом 1 кОм 2,2 кОм 10 кОм 47 кОм		2. Конденсаторы К73-17 63…100 В: 0,22 мкФ 0,47 мкФ 1 мкФ 4,4 мкФ (2 по 2,2мкФ) SR-63 В, 10 мкФ SR-63 В, 100 мкФ 3.Потенциометр СП4-2М 1 кОм 4. Лампа сигнальная СМН-10 55 5. Стабилитрон КС456А, 5,6 В 6. Диоды КД 226 (1N5408) 1А, 100 В 7. Микропереключатель (тумблер) 8. Индуктивности: 33 мГн, 50 мА (09Р333J) 100 мГн, 50 мА (3 шт. 09Р333J)

9. Миниблоки «Амперметр» (6 шт.) позволяют подключать амперметр в различные ветви исследуемой электрической цепи без разборки схемы. Эти миниблоки устанавливаются в наборную панель в тех местах схемы, где требуется измерять токи. В крышку миниблока встроено гнездо коаксиального разъёмного соединителя, а к амперметру подсоединяется кабель с соответствующим штырём.

10. Фильтр обратного следования фаз. При подключении миниблока к симметричной трёхфазной системе напряжений прямого следования фаз напряжение на входе Umn равно нулю. При подключении его к симметричной системе обратного следования U_mn @ 1,7 U _л. Предварительно нужно настроить сопротивления резистивных плеч так, чтобы выполнялись соотношения: U_Аm = 0,5 U _л и U_Cn = 0,5 U _л.

Рис. 1.3

11 и 13. Миниблок «Трансформатор». Трансформатор выполнен на разъёмном U-образном сердечнике из листовой электротехнической стали с толщиной листа 0,08 мм. Сечение сердечника 16´12 мм. На сердечнике установлены катушки 900 и 300 витков, и имеются две сменные катушки 300 и 100 витков. Катушки легко переставляются в ходе лабораторной работы. Номинальные параметры трансформаторов при частоте 50 Гц приведены в табл. 1.2.

Таблица 1.2

W	UH, B	IH, мА	R, Ом	SH, ВА
	2,33		0,9	1,4
			4,8	1,4
		66,7		1,4

12. Миниблок «Магнитная цепь» (рис.1.7) представляет собой трансформатор с регулируемым зазором в магнитопроводе. Магнитопровод выполнен из двух Ш-образных ферритовых сердечников марки М2000НМ. На среднем стержне магнитопровода расположены две одинаковые обмотки (намагничивающая и измерительная) по 200 витков каждая. Зазор может регулироваться винтом, один оборот которого изменяет зазор на 0,5мм (шаг резьбы 0.5 мм). Для устранения перекоса сердечника рекомендуется в левый и правый зазоры вставить немагнитные прокладки (например, полоски бумаги) и осторожно от руки затянуть винт. Так, например, толщина бумаги «Снегурочка» для офисной техники 0,1 мм, толщина газетной бумаги - 0.05…0,06 мм.

Будьте осторожны: большое усилие при затягивании винта может привести к разлому печатной платы на которой смонтирована вся конструкция!

Необходимые для расчёта размеры сердечника и кривая намагничивания феррита М2000НМ приведены в описании экспериментов с этим миниблоком.

Рис. 1.7

14. Миниблок «Интегратор» предназначен для интегрирования входного сигнала u_вх(t) или i_вх(t) по времени:

Параметры R_вх и С указаны на упрощенной принципиальной схеме интегратора (рис.1.8).

Интегратор имеет два режима работы. При разомкнутом состоянии выключателя «Сброс» (нижнее положение тумблера на миниблоке) происходит интегрирование входного сигнала. Напряжение на выходе в этом режиме медленно изменяется даже при отсутствии входного сигнала, поскольку всегда есть внутренние утечки схемы и помехи. Этот режим используется для интегрирования кратковременных одиночных импульсов тока или напряжения. Перед началом интегрирования необходимо «обнулить» интегратор включив на 2…3 с выключатель «Сброс».

При включённом выключателе «Сброс» (верхнее положение тумблера на миниблоке) медленно изменяющаяся составляющая входного сигнала не интегрируется. Этот режим используется для возвращения интегратора в нулевое положение и для интегрирования периодических быстро протекающих процессов, например, при снятии петли гистерезиса.

Напряжение на выходе интегратора не может быть больше напряжения питания, поэтому, когда оно приближается к напряжению питания +15 В или –15 В, включается светодиод «Перегрузка».

1.1.4. Блок мультиметров

Блок мультметров предназначен для измерения напряжений, токов, сопротивлений, а также для проверки диодов и транзисторов. Общий вид блока представлен на рис. 1.4. В нём установлены 2 серийно выпускаемых мультиметра MY60, MY62 или MY64. Подробная техническая информация о них и правила применения приводится в руководстве по эксплуатации изготовителя. В блоке установлен источник питания мультиметров от сети с выключателем и предохранителем на 1 А. На лицевую панель блока вынесены также четыре предохранителей защиты токовых цепей мультиметров.

Для обеспечения надёжной длительной работы мультиметров соблюдайте следующие правила:

· Не превышайте допустимых перегрузочных значений, указанных в заводской инструкции для каждого рода работы

· Когда порядок измеряемой величины неизвестен, устанавливайте переключатель пределов измерения на наибольшую величину.

· Перед тем, как повернуть переключатель для смены рода работы (не для изменения предела измерения!), отключайте щупы от проверяемой цепи.

· Не измеряйте сопротивление в цепи, к которой подведено напряжение.

· Не измеряйте ёмкость конденсаторов, не убедившись, что они разряжены.

· Будьте внимательны при измерении тока мультиметрами МY62 и МY64. Предохранитель 0,2 А этих мультиметов может перегореть от источников напряжения имеющихся в данном стенде. Мультиметр МY60 защищён предохранителем 2 А, который не может перегореть от токов, создаваемых источниками данного стенда.

Рис. 1.10

До подключения мультметра к цепи необходимо выполнить следующие операции:

· выбор измеряемой величины: - V, ~ V, - A, ~ A или W;

· выбор диапазона измерений соответственно ожидаемому результату измерений;

· правильное подсоединение зажимов мультиметра к исследуемой цепи.

Присоединение мультиметра как вольтметра, амперметра и омметра показано на рис. 1.10.

1.1.5. Ваттметр

Общий вид ваттметра изображён на рис. 1.11.

Его принцип действия основан на перемножении мгновенных значений тока и напряжения и отображении среднего значения этого произведения на дисплее прибора в цифровом виде.

Прибор включается в цепь согласно приведённой на лицевой панели схеме. Для измерения активной мощности, гнёзда, помеченные символом «·», должны быть соединены перемычкой. После сборки схемы необходимо включить выключатель «Сеть» и установить необходимые пределы измерения по току и по напряжению тумблерами. Если выбран заниженный предел измерения, то включается сигнализация перегрузки I > или (и) U >. Если, наоборот, предел завышен, то включается сигнализация I < или (и) U <. Справа от окошка цифровых индикаторов включаются автоматически светодиоды сигнализации размерности Вт или мВт.

1.1.6. Коннектор

Коннектор предназначен для ввода измеряемых токов и напряжений в компьютер на плату PCI-6023(24) для измерений с помощью программы «ВП ТОЭ». Он содержит делители напряжений для ввода напряжений, шунты для ввода токов, блоки гальванической развязки измеряемых сигналов, разъем для вывода из компьютера сигналов управления электронным ключом и разъем для подключения плоского кабеля связи коннектора с компьютером.

Общий вид лицевой панели коннектора показан на рис. 1.12.

Изображенные на лицевой панели измерительные приборы V0, V1, A1…A4 включаются в цепь как обычные вольтметры и амперметры. Коннектор имеет два канала для ввода напряжений в компьютер и два канала для ввода токов. Однако, в цепь можно включить четыре амперметра и кнопками переключения измеряемого тока выбирать вводимое в компьютер значение I₁ или I₂, I₃ или I₄. О выбранном токе сигнализирует светодиод на лицевой панели коннектора и надпись на виртуальном амперметре на экране дисплея.

Кнопки переключения делителей напряжения и шунтов предназначены для выбора пределов измерения, как в обычных измерительных приборах

Рис.1.12

1.1.7. Порядок работы с виртуальными амперметрами и вольтметрами

При работе с виртуальными приборами придерживайтесь следующего порядка.

· Соберите цепь согласно схеме опыта, включив в нее вместо реальных амперметров и вольтметров виртуальные приборы, изображенные на лицевой панели коннектора.

·
Включите виртуальные приборы двойным щелчком левой кнопки мыши на ярлыке «ВП ТОЭ». В результате откроется блок «Приборы I» (рис. 1.13), в котором содержатся вольтметры и амперметры. Часть из них активизирована по умолчанию (т. е. включены пределы измерения).

· Расположение приборов в окне этого блока можно изменить, щелкнув левой кнопкой мыши на обозначении прибора и выбрав в открывшемся перечне нужный прибор. К одному и тому же каналу коннектора, таким образом, можно подключить

Рис. 1.13

несколько виртуальных приборов для одновременного измерения, например, действующего, амплитудного, среднего и др. значений одного и того же напряжения (тока).

· Активизируйте нужные виртуальные приборы, щелкнув в соответствующих окнах на кнопках «Откл». Для отключения прибора щелкните в окне предела измерения. Чем больше каналов задействовано в виртуальных измерениях тока и напряжения, тем ниже частота сканирования и меньше значений вводится в компьютер за период измерения. Период измерения, в течение которого производится ввод данных в компьютер, по умолчанию равен 0,1 с. Его можно изменить, открыв меню, как показано на рис. 1.13 и выбрав мышью строку «Период измерения».

При выполнении измерений переменных напряжений и токов необходимо обращать внимание на число отсчётов в секунду, которое указано в верхней части панели «Приборы I». Необходимо, чтобы число отсчётов, приходящихся на один период измеряемого сигнала (не путать с периодом измерения!), было не менее десяти. При меньшем числе отсчётов резко возрастает погрешность измерений.

· Выберите род измеряемой величины, щелкнув в окне «Действующее» и выбрав из открывшегося списка нужное значение. (Для цепи постоянного тока это, скорее всего, «Среднее»). В этом окне пункт «Действ. перем.» означает действующее значение сигнала, из которого исключена постоянная составляющая.

· Выберите пределы измерения амперметров и вольтметров, нажав соответствующие кнопки на коннекторе (рис. 1.13). Выбранные пределы отображаются автоматически в соответствующих окнах виртуальных приборов.Когда измеряемый сигнал превышает допустимый для данного канала уровень, окно с показанием виртуального прибора начинает мигать красным цветом, а в верхней части панели включается надпись «Перегрузка! Перейдите на больший предел». Она гаснет, как только предел измерения становится больше измеряемой величины.

· При снижении измеряемой величины ниже значения следующего (более низкого) предела измерения включается надпись «Перейдите на меньший предел». Через некоторое время она гаснет самостоятельно, но окно данного виртуального прибора продолжает мигать, предупреждая о том, что данное измерение желательно сделать точнее.

· Для того, чтобы закрыть окно виртуальных приборов, необходимо щелкнуть по клавише «Выкл».

1.1.8. Измерение сопротивлений, мощностей и углов сдвига фаз с помощью виртуальных приборов

Сначала включите блок «Приборы I». Затем для «включения» виртуальных ваттметров, омметров, фазометра и т.д. выберите из меню блока «Приборы I» позицию «Приборы II». При этом откроется блок с тремя приборами, которые вычисляют сопротивления, углы сдвига фаз мощности и т. д. по мгновенным значениям токов и напряжений, введенным в компьютер через коннектор.

Первые два прибора этого блока имеют свое меню, из которого выбираются измеряемые величины (см. рис. 1.14).

Для активизации прибора достаточно выбрать в соответствующих окнах две величины, через которые определяется искомая величина. Например, если на входе цепи включен вольтметр V0 и амперметр А4, то для измерения входных мощностей (P, Q, S), входных сопротивлений (R, X, Z), а также угла сдвига фаз между напряжением и током (j=j_U-j_I), необходимо в верхнем окне прибора выбрать V0, а в нижнем А4. Для измерения угла сдвига фаз между токами I₁и I₄ (j=j_I1-j_I4) в верхнем окне должно быть А1, а в нижнем А4 (но не наоборот, иначе будет j_I4-j_I1). Для измерения частоты или периода необходимо указать только одну величину (в верхнем окне). Очевидно, что для цепи постоянного тока из перечисленных здесь величин имеет смысл измерять только активное сопротивление и активную мощность.

Третий (нижний) прибор в этом блоке производит вычисления по формуле, вводимой самим пользователем. Аргументами этой формулы могут быть 4 из 8 величин х1…х8 (не более!), измеряемых приборами первого и второго блоков. Обозначения х1…х8 имеются на рис. 1.13 и 1.14. Например, если измеряются две активные мощности – в верхнем окне мощность источника, а в нижнем нагрузки, то третий прибор можно запрограммировать на определение КПД. Для этого нужно ввести аргументы х7 и х8, напечатать формулу y = х8/х7 и щелкнуть на клавише «Начать счет».

В случае синтаксической ошибки во ведённой формуле окно формулы начинает мигать и счёт не производится.

Рис. 1.14

1.1.9. Виртуальный осциллограф

Виртуальный осциллограф позволяет наблюдать временные диаграммы сигналов, подаваемых на вход коннектора (двух напряжений и двух токов) в режиме «Развертка» или зависимость одного входного сигнала от любого другого в режиме «XY».

Для его включения необходимо подать на вход коннектора исследуемые сигналы, включить и настроить, как описано выше, блок «Приборы I» и выбрать в меню этого блока строку «Осциллограф». После этого на дисплее появится изображение виртуального прибора «Осциллограф» (рис. 1.15). Назначение всех его окон показано на рисунке.

Один из пяти блоков входов и вертикального отклонения луча с пояснениями

показан на рис. 1.16.

Рис. 1.15

Рис 1.16

На любой из пяти входов осциллографа можно подать сигнал с любого входа коннектора. При этом в окне входа осциллографа появляется соответствующее обозначение входа коннектора (виртуального прибора) и появляется луч на экране, цвет которого соответствует цвету фона переключателя исследуемого сигнала.

Масштаб изображения по вертикали устанавливается автоматически и изменяется ступенчато при изменении амплитуды сигнала, но его можно зафиксировать, нажав на кнопку фиксации масштаба (рис.1.16). После этого он меняться не будет. Предусмотрено и ручное плавное изменение масштаба внутри ступени.

Органы управления горизонтальным перемещением луча показаны на рис.1.17.

Рис.1.17

В правом верхнем углу осциллографа (рис. 1.15) имеется движок управления степенью сглаживания фильтра (появляется только при его включении), а также меню изменения характеристик графика: непрерывный, ступенчатый, гистограмма, точечный, размер и форма точек, толщина линий и т.п. Меню открывается при щелчке на любом из изображенных там пяти лучей

Рис.1.18

Кнопка «Записать в файл» позволяет записать в файл таблицу мгновенных значений всех подключенных сигналов за один период измерения. Затем их можно прочитать и обработать в программах MathCAD, Excel, Origin и др. После щелчка на этой кнопке появляется окно диалога (рис. 1.18), в котором нужно выбрать диск, папку и имя файла, в который Вы хотите записать данные и. Выбрав файл нажмите клавишу «Сохранить»

1.1.10. Виртуальный псевдоаналоговый прибор

Для наблюдения динамики изменения измеряемой величины более удобным является стрелочный прибор. Поэтому в комплексе «ВП ТОЭ» имеется псевдоаналоговый стрелочный прибор, который может дублировать показания любого из рассмотренных выше цифровых приборов (рис.1.19).

Рис.1.19

Он открывается щелчком мыши на строке «Аналоговый прибор» в меню блока «Приборы I» и подключается к любому из восьми приборов х1…х8. На нем имеется также окно выбора типа шкалы и клавиша «Инерционный - Безинерционный», с помощью которой можно замедлить или ускорить движение стрелки. Шкала прибора перенастраивается автоматически при выходе стрелки за ее пределы. Показание стрелки дублируется в цифровом виде в специальном окне прибора.

1.1.11. Виртуальный прибор «Ключ»

Виртуальный прибор «Ключ» предназначен для управления электронными ключами, транзисторами, тиристорами и другими приборами, работающими в ключевом режиме.

Он открывается щелчком на строке «Ключ» в меню блока «Приборы I». Его вид показан на рис. 1.20.

Рис. 1.20

После включения прибора необходимо установить исходное состояние ключей в окнах «Ключ 1» и «Ключ 2». Значение 1 в окне первого ключа соответствует наличию сигнала управления +5В на контакте 4 относительно общего контакта 7 разъема «Управление ключом» на коннекторе, значение 0 – отсутствию сигнала. Значение 1 в окне второго ключа соответствует наличию сигнала +5В на контакте 8 разъема, 0 – отсутствию сигнала.После того, как исходные состояния установлены, они переключаются каждый раз при нажатии клавиши «Переключить».