ДОПУСТИМЫЕ СТЕПЕНИ ЗАЩИТЫ ОБОЛОЧЕК
1.6. Электроустановки в пожароопасных зонах Степени защиты электрооборудования, применяемого в пожароопасных зонах, приведены в табл. 1. 18. Таблица 1. 18 ДОПУСТИМЫЕ СТЕПЕНИ ЗАЩИТЫ ОБОЛОЧЕК ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ КЛАССА ПОЖАРООПАСНОЙ ЗОНЫ
Окончание табл. 1. 18
* Символ «х» означает, что степень защиты принимается в соответствии с условиями внешней среды в месте установки светильника. Электропроводка внутри светильника с лампами накаливания и ДРЛ до места присоединения внешних проводов должна выполняться термостойкими проводами. Степень защиты переносного светильника — IP54, стеклянный колпак должен быть защищен металлической сеткой.
Электроустановки во взрывоопасных зонах
Электрооборудование таких электроустановок имеет степень защиты от взрыва окружающей взрывоопасной смеси газов и паров с воздухом в зависимости от категорий и групп этих смесей, которые показаны в табл. 1. 10 и 1. 11, где БЭМЗ — безопасный экспериментальный максимальный зазор между фланцами оболочки, через который не происходит передачи
взрыва из оболочки в окружающую среду при любой концентрации смеси в воздухе.
Температура самовоспламенения — самая низкая температура горючего вещества, при которой происходит увеличение скорости реакций, заканчивающихся пламенным горением.
Взрывозащищенное электрооборудование — электрооборудование, в котором предусмотрены конструктивные меры по устранению или затруднению возможного воспламенения окружающей взрывоопасной среды.
Уровни взрывозащиты электрооборудования.
Уровень 2 — электрооборудование повышенной надежности против взрыва — Взрывозащищенное электрооборудование, в котором защита от взрыва обеспечивается только в признанном нормальным режиме работы.
Уровень 1 — взрывобезопасное электрооборудование -— Взрывозащищенное электрооборудование, в котором взрывозащита обеспечивается как при нормальном режиме работы, так и при признанных вероятными повреждениях, определенных условиями эксплуатации, кроме повреждений средств взрывозащиты.
Уровень 0 — особо взрыаобезопасное электрооборудование — электрооборудование, в котором по отношению к взрывобезопасному электрооборудованию приняты дополнительные средства взрывозащиты, предусмотренные стандартами.
Таблица 1.10 КАТЕГОРИИ ВЗРЫВООПАСНЫХ СМЕСЕЙ ГАЗОВ И ПАРОВ С ВОЗДУХОМ
Группы взрывозащищенного электрооборудования по области его применения показаны в табл. 1.12, подгруппы электрооборудования группы II— в табл. 1. 13, температурные классы электрооборудования группы II — в табл. 1. 14.
Таблица 1.11 ГРУППЫ ВЗРЫВООПАСНЫХ СМЕСЕЙ ГАЗОВ И ПАРОВ С ВОЗДУХОМ ПО ТЕМПЕРАТУРЕ САМОВОСПЛАМЕНЕНИЯ
Таблица 1.12 ГРУППЫ ВЗРЫВОЗАЩИЩЕННОГО ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ ПО ОБЛАСТИ ЕГО ПРИМЕНЕНИЯ
Виды защиты:
взрывонепроницаемые оболочки d заполнение или продувка оболочки защитным газом
под избыточным давлением р
искробезопасная цепь i
кварцевое заполнение оболочки с токоведущими частями q
масляное заполнение оболочки с токоведущими частями о
специальный вид взрывозащиты s
защита вида «е» е
В маркировку взрывозащищенного электрооборудования входят:
знак уровня защиты электрооборудования 2,1, 0
знак, указывающий на соответствие электрооборудования стандартам на взрывозащищенное электрооборудование Ех
знак вида защиты d, р, i, q, о, s, е
знак группы или подгруппы электрооборудования II, IIA, IIВ, НС
Таблица 1 .13 ПОДГРУППЫ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ ГРУППЫ II С ВИДАМИ ВЗРЫВОЗАЩИТЫ «ВЗРЫВОНЕПРОНИЦАЕМАЯ ОБОЛОЧКА» ИЛИ (И) «ИСКРОБЕЗОПАСНАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ЦЕПЬ»
Таблица 1. 14 ТЕМПЕРАТУРНЫЕ КЛАССЫ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ ГРУППЫ II
Примеры маркировки взрывозащищенного электрооборудования приведены в табл. 1. 15. Исполнение электрооборудования в зависимости от класса взрывоопасной зоны показано в табл. 1. 16, допустимые способы прокладки проводов и кабелей в зависимости от класса зоны — в табл. 1. 17. Таблица 1. 5 ПРИМЕРЫ МАРКИРОВКИ ВЗРЫВОЗАЩИЩЕННОГО ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ
Таблица 1.16 ИСПОЛНЕНИЕ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ КЛАССА ВЗРЫВООПАСНОЙ ЗОНЫ, ГДЕ ОНО ПРИМЕНЯЕТСЯ
Окончание табл. 1. 16
* Символ «х» заменяет цифру, которая выбирается в зависимости от условий среды.: Таблица 1.17 ДОПУСТИМЫЕ СПОСОБЫ ПРОКЛАДКИ КАБЕЛЕЙ И ПРОВОДОВ ВО ВЗРЫВООПАСНЫХ ЗОНАХ
Окончание табл. 1.17
Краткие сведения о надежности электротехнических устройств
Надежность — свойство технического устройства или изделия выполнять свои функции в пределах допустимых отклонений в течение определенного промежутка времени.
Работоспособность — состояние изделия, при котором оно способно выполнять свои функции в пределах установленных требований.
Отказ — событие, при котором нарушается работоспособность изделия.
Неисправность — состояние изделия, при котором оно не соответствует хотя бы одному требованию технической документации.
Наработка — продолжительность работы изделия в часах
или других единицах времени.
Наработка на отказ, или среднее время безотказной работы — среднее значение наработки ремонтируемого изделия между отказами.
Вероятность безотказной работы — вероятность того, что в данный промежуток времени не возникнет отказа изделия.
Интенсивность отказов — вероятность отказа неремонтируемого изделия в единицу времени после данного момента времени.
Безотказность — свойство изделия сохранять работоспособность в течение некоторой наработки.
Долговечность — свойство изделия сохранять работоспособность до предельного состояния с перерывами на обслуживание и ремонт.
Ресурс — наработка изделия до предельного состояния, оговоренная в технической документации.
Срок службы — календарная продолжительность работы изделия до предельного состояния, оговоренная в технической документации.
Ремонтопригодность — доступность изделия для его обслуживания и ремонта.
Отказы электротехнического изделия могут означать не только электрические или механические повреждения, но и уход его параметров за допустимые пределы. В связи с этим отказы могут быть внезапными и постепенными.
Возникновения внезапных отказов в устройстве являются случайными событиями. Эти отказы могут быть независимыми, когда отказ одного элемента в устройстве происходит независимо от других элементов, и зависимыми, когда отказ одного элемента вызван отказом других. Разделение отказов на внезапные и постепенные является условным, так как внезапные отказы могут быть вызваны развитием постепенных отказов.
Количественной характеристикой для математического определения надежности является интенсивность отказов устройства в единицу времени, которая обычно измеряется числом отказов в час.
Величина, обратная интенсивности отказов, называется средней наработкой до первого отказа и измеряется в часах.
В течение срока службы технического устройства можно выделить три периода, интенсивность отказов в которых меняется по-разному.
В первый период, называемый периодом приработки, происходит выявление конструктивных, технологических, монтажных и других дефектов, поэтому интенсивность отказов может повышаться в начале периода, понижаясь при подходе к периоду нормальной работы.
Период нормальной работы характеризуется внезапными отказами постоянной интенсивности, которая увеличивается к периоду износа.
В период износа интенсивность отказов увеличивается с течением времени по мере износа изделия.
Очевидно, основным должен быть период нормальной работы, а другие периоды являются периодами входа и выхода из этого периода.
Надежность изделия закладывается на стадии проектирования. Если принятые при этом конструкторские решения соответствуют мировому уровню, то это будет способствовать большей надежности при работе изделия. Так же влияют технология производства и грамотность кадров на всех уровнях.
На надежности изделия сказываются условия транспортировки и хранения, монтаж, наладка и обкатка, соблюдение правил эксплуатации оборудования.
Некоторые формулы электротехники
Закон Ома для участка цепи постоянного тока
U=I*R,
где U— напряжение на участке цепи, В, I— сила тока на этом участке, А, R — сопротивление участка цепи, Ом. Сопротивление проводника
R=p*l/S
где р — удельное сопротивление. Ом • м, l — длина проводника, м, S — площадь поперечного сечения проводника, м^2
Формула зависимости сопротивления проводника от температуры
Rt=Rt0[1+a(t-t0)],
где Rt и Rt0 — сопротивления проводника соответственно при температурах t и t0. С, а — температурный коэффициент сопротивления Ом/°С.
Общее сопротивление цепи:
при последовательном соединении сопротивлений
R=R1+R2+R3+. .+Rn
при параллельном соединении
Общая емкость конденсаторов:
при последовательном соединении
при параллельном соединении
С = С1 +С2 +С3+...+Сn.
Мощность постоянного тока, Вт,
Р=U*I
Энергия электрической цепи, Дж, W =Pt.
где Р — мощность, Вт, t — время, с.
Количество теплоты, выделяющееся в проводнике, Дж,
A=I^2Rt,
где I — сила тока. А, R — сопротивление проводника, Ом, t — время прохождения тока, с.
Закон Ома при переменном токе
U =IZ.
где Z — полное сопротивление, Ом.
где I — частота, Гц, w — число витков в катушке, В — индукция магнитного поля в стали магнитопровода, Т, S — площадь сечения магнитопровода, м^2. Подъемная сила электромагнита, Н,
F=3978*B^2*S*10^2;
где В — магнитная индукция. Т, S — площадь сечения электромагнита, м^2.
Частота вращения магнитного поля электрической машины, об/мин,
n=60f/p
где р — число пар полюсов машины.
Мощность однофазного переменного тока:
активная, Вт,
Р = U*Icosф, реактивная, вар,
Q = UI sinф, полная, В-А,
Обеспечение безопасного обслуживания
Имеются различные исполнения машин и аппаратов по степени защиты и среди них выбирают такие исполнения, которые были бы безопасны и надежно работали в данных условиях. Степень защиты указывается в технической документации и в паспорте, укрепляемом на машине или аппарате.
Классы электротехнических изделий по способу защиты человека представлены в табл. 1. 6.
Таблица 1. 6 КЛАССЫ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ ПО СПОСОБУ ЗАЩИТЫ ЧЕЛОВЕКА ОТ ПОРАЖЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ТОКОМ
Характеристики степеней защиты оболочек электрооборудования напряжением до 1000 В от поражения персонала и от влияния внешней среды приведены в табл. 1. 7.
Таблица 1.7 ХАРАКТЕРИСТИКИ СТЕПЕНЕЙ ЗАЩИТЫ ОБОЛОЧЕК ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ НАПРЯЖЕНИЕМ ДО 1000 В
Окончание табл. 1. 7
Обозначения степеней защиты оболочек аппаратов показаны в табл. 1. 8.
Степени защиты электрических машин показаны в табл. 1. 9.
Условное обозначение степени защиты содержит следующие данные в указанной последовательности: a) IP — первые буквы английских слов International Protection, означающие защиту по международным нормам; б) первая цифра указывает степень защиты от соприкосновения и попадания посторонних тел; в) вторая цифра указывает степень защиты от проникновения воды.
Способ охлаждения электрической машины обозначается символом IС (первые буквы слов International Cooling, означающих охлаждение по международным нормам), и цифрами.
Таблица 1.8 УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ СТЕПЕНЕЙ ЗАЩИТЫ ОБОЛОЧЕК ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ АППАРАТОВ НАПРЯЖЕНИЕМ,ДО 1000 В
Таблица 1.9 УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ СТЕПЕНЕЙ ЗАЩИТЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН НАПРЯЖЕНИЕМ ДО 1000 В
Электрические машины со степенями защиты IР54 и IР44 выпускаются со способом охлаждения 1С0141. Первые две цифры (01) определяют, что внешняя поверхность машины обдувается вентилятором, насажденным на вал машины и охлаждающим машину окружающим воздухом через ее оболочку.
Следующие две цифры (41) относятся к внутренней части машины и означают, что воздух внутри машины приводится в движение самим ротором или дополнительным внутренним вентилятором и тепло внутри машины передается окружающей среде через поверхность станины, которая может быть гладкой или с ребрами.
Способ охлаждения IС0041 отличается от предыдущего отсутствием внешнего вентилятора.
При способе охлаждения IС0151 обмен теплотой между воздухом внутри и вне машины происходит с помощью встроенного охладителя.
Способ охлаждения IС01 имеют машины в исполнении IP23.
Электрооборудование обычно предназначается для работы на высоте над уровнем моря до 1000 м при температуре внешней среды не выше +40 С и не ниже —45 С.
Установлены следующие категории мест размещения электрооборудования при эксплуатации:
1 — на открытом воздухе, где они подвергаются воздействию всех природных факторов,
2 — помещения, в которых отсутствует прямое воздействие атмосферных осадков и солнечных лучей (навесы, палатки и т. д.),
3 — закрытые помещения с естественной вентиляцией без искусственно регулируемых климатических условий, где колебания температуры и влажности воздуха, солнечного света, воздействие песка и пыли меньше, чем на открытом воздухе (неотапливаемые помещения).
4 — помещения с искусственно регулируемыми климатическими условиями (производственные помещения закрытые отапливаемые и вентилируемые).
5 — помещения с повышенной влажностью, в которых возможно длительное нахождение воды или конденсированной влаги, например, неотапливаемые и невентилируемые помещения под землей, в том числе шахты и подвалы.
Электрооборудование по условиям окружающей среды может иметь следующие исполнения:
для умеренного климата У1—У5,
для холодного и умеренного климата ХЛ1—ХЛ5,
УХЛ1-УХЛ5,
для тропического климата Т1—Т5.
Понятия и определения, условные обозначения
1.2. Некоторые формулы электротехники 1.3. Краткие сведения о надежности электротехнических устройств 1.4. Обеспечение безопасного обслуживания персоналом машин и аппаратов и защиты их от влияния окружающей среды 1.5. Электроустановки во взрывоопасных зонах 1.6. Электроустановки в пожароопасных зонах
Ниже приведены некоторые определения и сведения из принятых Правил устройства электроустановок (ПУЭ), которых придерживаются при проектировании и эксплуатации электроустановок.
Электроустановка представляет собой совокупность машин, аппаратов, линий их связи и вспомогательного оборудования (вместе с сооружениями и помещениями, в которых они установлены), предназначенных для производства, преобразования, трансформации, передачи и распределения электроэнергии.
Электроустановки по условиям безопасности разделяются на электроустановки напряжением до 1000 В и электроустановки напряжением более 1000 В. В настоящем справочнике даются сведения по электроустановкам напряжением 380/220 В, где 380 В — напряжение между каждыми двумя из трех токоведущих проводов трехфазной сети (между фазами), а 220 В — напряжение между каждыми из этих проводов и нулевым проводом, соединенным с нейтралью трансформатора, питающего сеть, с заземляющим устройством нейтрали и с повторным заземлением самого нулевого провода.
В электроустановке электрические машины могут производить или потреблять электроэнергию.
Электрические аппараты применяются для включения, отключения и защиты электроприемников или участков линий.
Электрические линии могут быть воздушными или кабельными.
Открытыми или наружными электроустановками называются установки, не защищенные зданием от внешних воздействий.
Закрытыми или внутренними называются установки, расположенные внутри здания.
В табл. 1. 1 приведены виды помещений в зависимости от условий среды.
Таблица 1. 1 ВИДЫ ПОМЕЩЕНИЙ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ УСЛОВИЙ СРЕДЫ
В соответствие с ПУЭ электроустановки классифицируются в зависимости от пожароопасности и взрывоопасности.
Пожароопасной зоной называется пространство внутри и вне помещения, в переделах которого постоянно или периодически образуются горючие вещества и в котором они могут находиться при нормальном технологическом процессе или при его нарушении.
Взрывоопасной зоной называется помещение или ограниченное пространство в помещении или наружной установке, в которых имеются или могут образовываться взрывчатые смеси газов или паров с воздухом, кислородом или другими окислителями, а также горючей пыли или волокон с воздухом при переходе их во взвешенное состояние.
Классы пожароопасных и взрывоопасных зон приведены в табл. 1.2.
В отношении поражения людей электрическим током различаются:
1.
Помещения без повышенной опасности, в которых .отсутствуют условия повышенной опасности. 2. Помещения с повышенной опасностью, в которых существует одно из условий повышенной опасности: 1) сырость или токолроводящая пыль; 2) токопроводящие полы; 3) возможность одновременного прикосновения человека к имеющим соединение с землей металлоконструкциям, технологическим аппаратам и т. д., с одной стороны, и к корпусам электрооборудования, с другой; 4) высокая температура. 3. Особо опасные помещения, характеризующиеся наличием одного из следующих условий: 1) особая сырость; 2) химически активная или органическая среда; 3) одновременно два или более условий повышенной опасности. Электрической сетью является совокупность электроустановок, обеспечивающих передачу и распределение электроэнергии (подстанции, распределительные устройства, воздушные и кабельные линии и т. д.) Элементом называется часть электротехнического изделия, которая выполняет определенную функцию (резисторы, конденсаторы, транзисторы, коммутационные аппараты и т. д.). Совокупность элементов, представляющих единую конструкцию (плата, блок, шкаф и т. д.) называют устройством. Каждый элемент электротехнического устройства характеризуется номинальным параметром, указываемым изготовите- Таблица 1. 2 ПОЖАРООПАСНЫЕ И ВЗРЫВООПАСНЫЕ ЗОНЫ
лем и учитываемым при его использовании (напряжение, ток, мощность). Номинальные параметры указываются и для устройств. Для каждого элемента и устройства государственными стандартами устанавливаются условные обозначения, некоторые из них приведены в прил. 1. Таблица 1. 3 ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЯ НЕКОТОРЫХ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН ПО МЕЖДУНАРОДНОЙ СИСТЕМЕ СИ И ИХ ОБОЗНАЧЕНИЯ
Продолжение табл. 1. 3
Продолжение табл. 1. 3
Окончание табл. 1. 3
Таблица 1.4 ВЫРАЖЕНИЕ НЕКОТОРЫХ ЕДИНИЦ ИЗМЕРЕНИЯ ДРУГИХ СИСТЕМ ЧЕРЕЗ ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЯ СИСТЕМЫ СИ
Таблица 1. 5 ПРИСТАВКИ И МНОЖИТЕЛИ ДЛЯ ОБРАЗОВАНИЯ ДЕСЯТИЧНЫХ КРАТНЫХ И ДОЛЬНЫХ ЕДИНИЦ
Электричество
ЭКСПЕРИМЕНТ Цветовой код резисторов
Цели
После проведения данного эксперимента Вы сможете понимать цветовой код резисторов, рассчитывать допуски резисторов и измерять сопротивления при помощи омметра.
Необходимые принадлежности
* Цифровой мультиметр
* Резисторы
ВВОДНАЯ ЧАСТЬ
По-видимому, наиболее распространенным электронным компонентом является резистор. Резисторы оказывают определенное противодействие протеканию тока в электронных схемах. Величина этого сопротивления выражается в омах (Ом). Один Ом определяется как величина сопротивления протеканию тока силой в один ампер, когда приложено напряжение величиной один вольт. В электронных схемах резисторы могут иметь величины от доли Ома до нескольких миллионов Ом. Большие значения сопротивления обычно выражаются в килоомах и в мегомах. Килоом — это тысяча Ом. Эта единица измерения обозначается буквой к (кОм). Резистор 10 к имеет величину сопротивления 10х1000 = 100000м. Мегом — это миллион Ом. Данная единица измерения обозначается буквой М (МОм). Следовательно, резистор 2, 2 М имеет величину сопротивления 22000000м.
Резисторы имеют стандартные величины сопротивлений. Значение сопротивления обозначается цветными полосками на корпусе резистора. Вы должны будете только посмотреть на резистор и сразу по его цветовому коду определить фактическую величину его сопротивления.
Цветовой код резисторов
Цветовой код резисторов легко изучается и используется на практике. Как только Вы запомните его, Вы быстро и легко сможете определять величины сопротивлений резисторов. Целью настоящего эксперимента является ознакомление с цветовым кодом резисторов и приобретение опыта в определении величин соответствующих сопротивлений.
Цветовой код представлен на рисунке 2-1. Первые две цветные полоски на резисторе обозначают цифровые значения. Третья цветная полоска обозначает множитель. Множитель указывает на то, сколько нулей следует добавить после двух цифровых разрядов, чтобы получить окончательную величину сопротивления в омах. Четвертая цветная полоска имеет или серебряный, или золотой цвет, располагается справа и обозначает допуск резистора.
Большинство резисторов, которые используются в электронике, имеют допуск или 5%, или 10%, и это означает, что фактическая величина сопротивления может отклоняться от номинального значения, указанного цветовым кодом, на 5% или 10%.
Рис. 2-1. Цветовой код резисторов Красный -фиолетовый -оранжевый -серебряный
Рис. 2-2. Пример цветового кода Величины сопротивлений Обратитесь к рисунку 2-2. Чтобы определить величину сопротивления, запишите сначала цифры, соответствующие первым двум полоскам. В нашем случае это цифры 2 и 7. Далее запишите количество нулей, указываемое третьей цветной полоской. В данном случае цвет оранжевый, который означает три нуля. Вы теперь определили фактическую величину сопротивления резистора, а именно 270000м. В обычном представлении это записывалось бы как 27 кОм, где к заменяет три нуля. Наконец, серебряная полоска обозначает допуск 10%. Это означает, что фактическая величина сопротивления резистора может отклоняться от номинального значения, указанного цветовым кодом, на 10%. Десять процентов от 27000 ом составляет: 27000х0, 10=2700 Ом Следовательно, величина сопротивления варьирует в диапазоне: 27000 - 2700 = 24300 Ом 27000+ 2700=29700 Ом Таким образом, фактическое значение сопротивления будет находиться в пределах от 24300 до 29700 Ом. Вы можете проверить это, измерив сопротивление резистора при помощи мультиметра. Резисторы обладают также номинальной мощностью. Эта величина означает, сколько тепла могут безопасно рассеивать резисторы. Резисторы с цветовой кодировкой выпускаются со стандартными номинальными мощностями 1/8, 1/4, 1/2, 1 и 2 ватта (большая часть резисторов имеет номинальную мощность 1/4 ватта). Чем больше резистор, тем больше его способность рассеивать мощность. Краткое содержание В данном эксперименте при использовании рисунка 2-3 Вы будете брать резисторы, которые Вам предоставит Ваш инструктор, и определять их сопротивления и допуски. Вы будете также измерять их значения при помощи Вашего мультиметра. Это обеспечит Вас достаточным начальным опытом в определении сопротивления любого резистора, предоставляемого в данной программе.
Рис. 2-3. Таблица для записи значений сопротивления резисторов ПРОЦЕДУРА 1. Записывайте цветовой код каждого резистора, предоставляемого Вам Вашим инструктором, в левую колонку на рисунке 2-3. Не имеет значения, в каком порядке Вы будете составлять список резисторов. Обеспечивайте, тем не менее, при считывании цветового кода правильное расположение резистора, чтобы Вы правильно считывали этот код — слева направо. Чтобы правильно расположить резистор для считывания цветового кода, необходимо, чтобы золотая или серебряная полоска допуска всегда располагалась справа. Запишите все цветовые коды резисторов в таблицу на рисунке 2-3, прежде чем переходить к следующему шагу. В первом ряду на рисунке 2-3 показан формат записи с использованием примера, приведенного в вводной части данной главы. 2. Преобразуйте цветовой код в соответствующую величину сопротивления. Записывайте значения сопротивлений во вторую колонку на рисунке 2-3. Запишите все значения сопротивлений резисторов, прежде чем переходить к следующему шагу. Допуски следует записать в третью колонку. 3. Используя значения допуска, которые Вы записали в третью колонку, выполните теперь расчет диапазона отклонения от номинала для каждого резистора. То есть, определите верхние и нижние значения диапазонов сопротивлений для всех резисторов по их допуску. Запишите ваши данные в колонку 4 на рисунке 2-3. 4. Далее, используя Ваш цифровой мультиметр, измерьте значение сопротивления каждого резистора. Используйте при этом такой предел измерения для каждого резистора, который обеспечит максимальную точность значения и точность его представления. Каждое измеряемое значение для резисторов записывайте в колонку 5 на рисунке 2-3. 5. Теперь сравните фактически измеренную величину с указанным номинальным сопротивлением резистора и диапазоном допуска. Убедитесь, что измеренное значение находится внутри диапазона допуска. Если какое-либо из измеренных значений находится вне предела допуска, поставьте контрольную отметку рядом с такими резисторами. ОБЗОРНЫЕ ВОПРОСЫ 1.Краткий способ выразить величину сопротивления 15000000 Ом следующий: а) 15 кОм, б) 1. 5 МОм, в) 1500 кОм, г) 15 МОм. 2. Резистор с цветовым кодом синий-серый-желтый-серебряный имеет величину: а) 86 кОм, 5%, б) 680 кОм, 10%, в) 860 кОм, 5%, г) 6, 8 МОм, 10%. 3. Каков диапазон сопротивления резистора с номиналом 2, 2 кОм, 5%? а) 2090 — 2310 Ом, б) 1980 — 2420 Ом, и) 2090 — 2200 Ом, г) 2200— 2310 Ом. 4. Каким цветом представляется на резисторах множитель 10000000? а) зеленым, б) синим, в) фиолетовым, г) серым. 5. Размер резистора отражает обычно его: а) омическое значение, б) допуск, в) диапазон сопротивлений, г) номинальную мощность.
ЭКСПЕРИМЕНТ Делители напряжения
Цели
После проведения данного эксперимента Вы сможете рассчитать выходное напряжение делителя напряжения с нагрузкой и без таковой, а также продемонстрировать, что потенциометр является варьируемым делителем напряжения.
Необходимые принадлежности
* Цифровой мультиметр
* Макетная панель
* Источник постоянного напряжения
* Один потенциометр 10 кОм
* Резисторы — 1/4 Вт, 5%:
один резистор 220 Ом, один резистор 470 Ом, один резистор 1 к0м, один резистор 2, 2 к0м, один резистор 3, 3 к0м, один резистор 10 к0м, один резистор 100 к0м.
ВВОДНАЯ ЧАСТЬ
Делитель напряжения — это резистивная схема, выходное напряжение которой меньше, чем входное напряжение. В электронных схемах часто оказывается необходимым уменьшить уровень напряжения сигнала. Наиболее легко это можно
осуществить при помощи двухрезисторной схемы, известной как делитель напряжения. Входное напряжение прикладывается параллельно к двум резисторам, а выходное напряжение снимается с одного из этих резисторов. Сопротивления этих резисторов выбираются таким образом, чтобы выходное напряжение составляло некоторую определенную часть от входного напряжения.
Рис. 7-1.
Широко используемый делитель напряжения показан на рисунке 7-1. Вы можете использовать закон Ома для расчета выходного напряжения, если известны входное напряжение и сопротивления резисторов. Тем не менее, следующая формула ускоряет и упрощает процесс вычислений.
Vo = VsR2/(R1 + R2)
Вычисление выходного напряжения в соответствии с приведенной выше формулой предполагает, что в схеме нет нагрузки. Если параллельно
резистору R2 подключена резистивная нагрузка с конечным сопротивлением, выходное напряжение будет меньше, чем вычисленное, по формуле. Если сопротивление нагрузки приближается к сопротивлению R2, нагрузка будет отбирать все больше и больше тока из схемы. Это приведет к перераспределению падений напряжения в схеме, и выходное напряжение будет уже значительно отличаться от рассчитанного в соответствии с приведенной выше формулой напряжения.
Для определения выходного напряжения делителя при наличии нагрузки Вы можете использовать стандартные методы расчетов в соответствии с законами Ома и Кирхгофа, которые уже применялись Вами в предыдущем эксперименте, чтобы дать заключение о выходном напряжении.
Во многих приложениях, тем не менее, это не является необходимым. Если сопротивление нагрузки достаточно велико в сравнении со значением R2, выходное напряжение будет почти равным напряжению, значение которого получается в соответствии с приведенной выше формулой. При этом эмпирическим правилом является: сопротивление нагрузки должно в десять или более раз превышать сопротивление R2. Чем выше значение сопротивления нагрузки по отношению к R2, тем ближе выходное напряжение будет к значению, рассчитанному в соответствии с приведенной ранее формулой. Потенциометр Одним из наиболее часто используемых электроэлементов является потенциометр, который фактически представляет собой варьируемый делитель напряжения. Потенциометр — это переменный резистор с тремя выводами (см. рис. 7-2). Центральный вывод соединен с подвижным контактом, который может соединяться с любой точкой резистивного элемента, позволяя гасить часть полного приложенного напряжения. Подвижный контакт может перемещаться от одного конца резистивного элемента к другому, позволяя выбирать любое значение напряжения между напряжением входного источника и нулем. Потенциометры широко используются в электронных схемах, поскольку с их помощью удается точно выполнить настройку выходного напряжения, желательного для конкретного применения.
Рис. 7-2. Краткое содержание В данном эксперименте Вы соберете и продемонстрируете резистивные делители напряжения, а также покажете изменение выходного напряжения при различных уровнях нагрузки. Вы также продемонстрируете использование потенциометра в качестве варьируемого делителя напряжения. ПРОЦЕДУРА 1. Обратитесь к схеме делителя напряжения, показанной на рисунке 7-3. Выполните расчет выходного напряжения с нагрузкой 1 кОм и без нее. Vo=___В (нагрузка 1 кОм) Vo = ________ В (без нагрузки)
Рис. 7-3. 2. Соберите схему, показанную на рисунке 7-3. Не присоединяйте резистор 1 кОм. Измерьте выходное напряжение на R2. Это напряжение без нагрузки. Vo=_______В 3. Присоедините нагрузочный резистор 1 кОм параллельно R2, как показано на рисунке 7-3.
Измерьте выходное напряжение с подключенной нагрузкой. После этого отсоедините нагрузку 1 кОм и замените ее резистором 10 кОм. Снова измерьте выходное напряжение. Наконец, замените резистор 10 кОм на резистор 100 кОм. Измерьте выходное напряжение. Запишите значения выходных напряжений в таблицу.
4. Основываясь на данных, накопленных в шаге З, укажите, как варьируется выходное напряжение в зависимости от различных сопротивлений нагрузки. 5. Размонтируйте схему на рисунке 7-3. Смонтируйте потенциометр 10 кОм на Вашей макетной панели. Каждый из контактов должен входить в отверстие на отдельном вертикальном ряду отверстий макетной панели. Центральный контакт — это подвижный контакт. Затем подключите к потенциометру источник питания 9 В, как показано на рисунке 7-4. Вы будете измерять выходное напряжение между отрицательным выводом источника и подвижным контактом потенциометра. 6. Подключите Ваш мультиметр на выход потенциометра для измерения выходного напряжения (Vo). При помощи небольшой отвертки полностью выведите подвижный контакт потенциометра против часовой стрелки. Запишите полученное выходное напряжение. Затем полностью выведите подвижный контакт потенциометра по часовой стрелке. Снова запишите полученное выходное напряжение. Vo=___В (против часовой стрелки) Vo=__В (по часовой стрелке) 7. Теперь контролируйте выходное напряжение потенциометра. Отрегулируйте Ваш потенциометр таким образом, чтобы выходное напряжение составляло половину входного напряжения (напряжения источника питания).
Рис. 7-4. 8. Размонтируйте схему рисунка 7-4. 9. Используя Ваш мультиметр, измерьте сопротивление между центральным выводом (подвижный контакт) и каждым из других выводов потенциометра. Запишите полученные значения. Сопротивление между центральным контактом и одним выводом = ______ Ом Сопротивление между центральным контактом и другим выводом = ______ Ом Объясните полученные Вами значения.
Рис. 7-5. 10. Соберите делитель напряжения, показанный на рисунке 7-5. Рассчитайте, в каком диапазоне может варьироваться выходное напряжение при использовании потенциометра. Vo = __ В (против часовой стрелки) Vo = _____ В (по часовой стрелке) 11.Подключите схему к источнику питания.
Измеряйте теперь выходное напряжение схемы, варьируя положение подвижного контакта потенциометра по всему его диапазону. Запишите предельные значения напряжения. Vo = __ В (против часовой стрелки) Vo = _____ В (по часовой стрелке) ОБЗОРНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Делитель напряжения, аналогичный показанному на рисунке 7-1, имеет следующие сопротивления резисторов: R1 = 10 кОм и R2 = 1 кОм. Источник питания дает напряжение 15В. Выходное напряжение составляет: а) 1, 28 В, б) 1, 36 В, в) 1, 5 В, г) 1, 72 В. 2. Каково минимальное значение сопротивления нагрузки, которая может подключаться к делителю напряжения из вопроса 1, чтобы выходное напряжение не снижалось значительно? а) 100 Ом, б) 1 кОм, в) 10 кОм, г) 100 кОм. 3. Варьируемый делитель напряжения — это: а) потенциометр, б) переменный резистор, в) реостат, г) варистор. 4. Постоянное напряжение 6 В приложено к потенциометру. Выходное напряжение может быть установлено на любое значение в диапазоне: а) от —6 до+ 6 В, б) от 0 до 6 В, в) от 0 до 9 В, г) от 0 до 12 В. 5. Потенциометр из вопроса 4 настроен так, чтобы гасить 85% приложенного напряжения. При этом выходное напряжение составляет: а) 0, 9 В, б) 2, 6 В, в) 4, 3 В, г) 5, 1 В.
ЭКСПЕРИМЕНТ Катушки индуктивности и постоянный ток
Цели
После проведения данного эксперимента. Вы сможете продемонстрировать и сформулировать эффект индуктивности в цепи постоянного тока.
Необходимые принадлежности
* Цифровой мультиметр
* Источник постоянного напряжения (от 9 до 15 В)
* Силовой трансформатор
* Неоновая лампа (NE-2) с проволочными выводами
ВВОДНАЯ ЧАСТЬ
Индуктивность — это свойство электронного компонента противодействовать изменениям тока, протекающего через данный компонент.
Индуктивностью обладают компоненты, которые называются катушками индуктивности, соленоидами или дросселями. Если ток, протекающий в катушке индуктивности, изменяется, свойство индуктивности противодействует такому изменению тока. Если ток увеличивается, катушка индуктивности препятствует росту тока. Если ток уменьшается, катушка индуктивности снова пытается сохранить ток без изменения. Эффект индуктивности заметен в первую очередь в тех схемах, где используется переменный ток. Противодействие переменному току, оказываемое катушкой индуктивности, называется индуктивным сопротивлением. Подобно сопротивлению резистора индуктивное сопротивление оказывает фиксированное противодействие, которое контролирует уровень тока в схеме.
В схемах постоянного тока, в которых ток обычно имеет фиксированное значение, определяемое сопротивлениями и напряжениями, катушки индуктивности обычно имеют лишь незначительный эффект или вообще не имеют никакого эффекта. Тем не менее, они оказывают влияние на постоянный ток, и важно ясно представлять себе это явление.
Катушки индуктивности в схемах постоянного тока
Первичным назначением катушки индуктивности в схеме постоянного тока является оказание противодействия в форме сопротивления. Катушки индуктивности обычно представляют собой проволочные спирали, которые создают сопротивление. Хотя резистивное сопротивление катушки индуктивности обычно низко, катушка создает противодействие. В дополнение мощность рассеивается сопротивлением катушки индуктивности.
Эффекты индуктивности проявляются, когда изменяется ток в цепи постоянного тока.
Хотя ток обычно имеет фиксированную величину в работающей схеме постоянного тока, не забывайте также, что необходимо еще включать и выключать схему. Когда ток первоначально подается в схему или удаляется их схемы, имеет место его значительное изменение. Такое изменение тока заставляет катушку индуктивности противодействовать этому изменению. В результате появляется наведенное (индуктированное) напряжение, которое, как и в схеме переменного тока, противодействует изменению тока. Наиболее значительный эффект достигается в том случае, когда ток через катушку индуктивности внезапно подавляется. Магнитное поле вокруг катушки индуктивности исчезает, индуцируя очень высокое напряжение в катушке. Это напряжение может даже приводить к повреждениям компонентов в некоторых случаях. В других применениях, наоборот, используется преимущество этого эффекта с целью формирования очень высокого напряжения для питания тех или иных специальных компонентов или цепей. Примерами могут служить трансформаторы строчной развертки в телевизионных приемниках и катушки зажигания в системах зажигания автомобилей. Краткое содержание В данном эксперименте Вы будете знакомиться с эффектами катушки индуктивности в схеме постоянного тока. ПРОЦЕДУРА 1. Для данного эксперимента Вы будет использовать первичную обмотку трансформатора. Эта обмотка идентифицируется двумя черными выводами. Все другие выводы игнорируйте. Измерьте сопротивление катушки индуктивности. Запишите полученное значение.
Сопротивление постоянному току = _____ Ом 2. Предскажите, какой величины ток может быть в катушке индуктивности, если к ней приложить напряжение 15В от источника питания. Ток = ____ мА 3. Подключите источник питания 15 В к катушке индуктивности и измерьте постоянный ток, протекающий через катушку. Обратитесь к рисунку 13-1. Запишите величину протекающего тока.
Измеренный ток = _____ мА
Рис. 13-1. Первичная обмотка, используемая в качестве катушки индуктивности. 4. Какой эффект оказывает источник на катушку индуктивности, и какой эффект оказывает катушка индуктивности на ток в цепи? 5.
Рассмотрите неоновую лампу. Это маленькая стеклянная лампочка с тонкими проволочными выводами. Подключите неоновую лампу параллельно с катушкой индуктивности, как показано на рисунке 13-2. Неоновая лампа загорится только в том случае, если напряжение на ее выводах превышает приблизительно 70—90В. 6. Приложите напряжение 15В от источника питания к катушке индуктивности, как показано на рисунке 13-2. Заметьте состояние неоновой лампы. Включена или выключена неоновая лампа? Состояние лампы________________
Рис. 13-2. 7. Отсоедините один вывод катушки индуктивности от источника питания и снова заметьте состояние неоновой лампы. Состояние лампы ________________ 8. Повторите шаги 6 и 7 несколько раз, чтобы наверняка увидеть, что происходит. 9. Объясните эффект, который Вы наблюдаете в шагах 7 и 8. ОБЗОРНЫЕ ВОПРОСЫ I. Катушка индуктивности противодействует изменениям; а) напряжения, б) тока, в) сопротивления, г) индуктивности. 2. Другое название для катушки индуктивности: а) трансформатор, б) магнит, в) соленоид, г) дроссель. 3. Все катушки (соленоиды) имеют сопротивление: а) высказывание истинно, б) высказывание ложно. 4. Противодействие постоянному току, оказываемое катушкой индуктивности, называется: а) индуктивностью, б) сопротивлением, в) реактивным сопротивлением, г) полным сопротивлением. 5. Напряжение 30 вольт подается на 90-вольтовую неоновую лампу. Лампа: а) включается, б) не включается.
ЭКСПЕРИМЕНТ Комбинация последовательных и параллельных схем
Цели
После проведения данного эксперимента Вы сможете рассчитывать полное сопротивление сложной схемы, состоящей из соединенных последовательно и параллельно резисторов, и определять падение напряжения на любом элементе и ток, протекающий через любой элемент схемы.
Необходимые принадлежности
* Цифровой мультиметр
* Макетная панель
* Источник постоянного напряжения
* Один батарейный зажим с выводами
* Резисторы — 1/4 Вт, 5%:
один резистор 470 Ом, один резистор 680 Ом, один резистор 2, 2 кОм, один резистор 4, 7 кОм, два резистора 10 кОм.
ВВОДНАЯ ЧАСТЬ
Большинство используемых на практике электронных схем часто представляют собой сложные комбинации из последовательных и параллельных схем. Вы должны знать, как рассчитывать нс толь
ко полное сопротивление схемы, но также величину тока через любой компонент или падение напряжения на любом. отдельном компоненте. Производство расчетов для таких цепей должно быть не более сложным, чем расчет простых последовательных и параллельных схем. Смысл этого довольно прост: любая сложная схема может быть легко и просто разбита на несколько более мелких и простых схем. При использовании методов, которые Вы изучили ранее для последовательных и параллельных схем, у Вас не будет проблем при анализе больших и более сложных схем.
Иными словами: для выполнения расчетов в сложной схеме просто смотрите на схему как на несколько небольших и простых схем. Начинайте с расчета тех схем, которые наиболее удалены от источника питания. В расчетах постепенно продвигайтесь вперед к источнику питания, комбинируя Ваши отдельные результаты. Таким образом, постепенно Вы сможете выполнить вычисление эквивалентного полного сопротивления схемы.
После того, как Вам будет уже известно полное сопротивление схемы, рассчитайте полный ток схемы, потребляемый от источника питания. Используя данную величину тока, Вы сможете вычислить падения напряжения при помощи законов Кирхгофа. Применяя законы Ома и Кирхгофа, Вы сможете определить напряжение или ток в любой точке схемы.
Краткое содержание
В данном эксперименте Вы соберете сложную схему, состоящую из соединенных последовательно
и параллельно резисторов.
Вы рассчитаете полное сопротивление этой схемы и проверите его измерением. Затем подсчитайте величины тока и напряжения в конкретных точках схемы. И снова сверьте Ваши расчеты с данными фактических измерений. ПРОЦЕДУРА 1. Соберите схему, показанную на рисунке 6-1, но не подключайте источник питания до тех пор, пока об этом не будет сказано. Это одна из наиболее сложных схем, которые Вам до сих приходилось собирать, так что будьте предельно внимательны. На данном этапе все еще желательным является использование макетной панели для физической компоновки резисторов с расположением элементов, по возможности наиболее близким к указанному на принципиальной схеме. Это поможет Вам быстро отыскивать каждый резистор и намного облегчит проведение различных измерений токов и напряжении. После того, как Вы завершите монтаж, снова внимательно проконтролируйте его на наличие возможных ошибок. 2. При использовании процедур, которые применялись Вами в предыдущих экспериментах, рассчитайте полное сопротивление схемы между точками А и В. Позже Вы подключите к этим точкам источник питания. Rt= ____ Ом (расчетное значение) 3. Используя Ваш мультиметр, измерьте общее сопротивление схемы между точками А и В Вашей схемы. Rt=______ Ом (измеренное значение) 4. Подключите источник питания 9В к схеме в точках А и В. 5. Рассчитайте ток, протекающий через резистор R5 Ir5= ______мА (расчетное значение) 6. Рассчитайте падение напряжения на резисторах R3 и Rt. Vr3-4= ____ В (расчетное значение) 7. Используя Ваш мультиметр, измерьте ток, протекающий через резистор R5.
Рис. 6-1. Ir5 = ______ мА (измеренное значение) 8. Измерьте напряжение на резисторах R3 и R4. Vr3-4 =_____В (измеренное значение) 9. Сравните Ваши вычисленные и измеренные значения и объясните возможную разницу в значениях. ОБЗОРНЫЕ ВОПРОСЫ 1. На рисунке 6-1 какой ток протекает через резистор R3? а) 0,15 мА, б) 0,32 мА, в) 0,44 мА, г) 0,89 мА. 2. При расчете полного сопротивления схемы, комбинирующей последовательные и параллельные цепи, начните с элементов, наиболее удаленных от источника питания: а) высказывание справедливо, б) высказывание несправедливо. 3.Основной причиной различия между расчетными и измеренными значениями является: а) вариация напряжений, б) погрешности мультиметра, в) погрешности вычислений, г) допуски резисторов. 4. В каком направлении происходит движение электронов через резистор R5, если источник питания подключается к точкам А и В, как показано на рисунке 6-1? а)сверху вниз, б) снизу вверх. 5. Какова полярность напряжения на резисторы R.2? а)вверху +, внизу —; б)вверху —, внизу +.
ЭКСПЕРИМЕНТ Мощность в резистивных цепях
Цели
После проведения данного эксперимента Вы сможете определять величину мощности, рассеиваемой на резисторе, и выражать связь между сопротивлением нагрузки и внутренним сопротивлением источника для максимальной передачи мощности.
Необходимую принадлежности
* Цифровой мультиметр
* Макетная панель
* Источник постоянного напряжения
* Резисторы — 1/4 Вт, 5%:
один резистор 120 Ом, один резистор 150 Ом, один резистор 220 Ом, один резистор 470 Ом, два резистора 1 кОм, один резистор 2, 2 кОм, один резистор 4, 7 кОм, один резистор 10 кОм.
ВВОДНАЯ ЧАСТЬ
Объясняя на элементарном уровне, электрическая мощность рассеивается на сопротивлении. Всякий раз, когда через сопротивление протекает ток, расходуется мощность. Эта мощность выделяется в форме тепла. При низких уровнях мощности формируется незначительное количество теплоты. Когда используются более сильные токи, рассеивается больше мощности, и генерируются более значительные уровни тепла. Вот почему многие электроэлементы нагреваются во время работы.
Большая часть электронных компонентов разрабатывается таким образом, что они могут выдерживать только определенную максимальную величину мощности. Это справедливо для резисторов, транзисторов и прочих устройств. Например, стандартные композиционные и пленочные резисторы выпускаются с номинальными значениями мощности 1/8, 1/4, 1/2, 1 и 2 Вт. Чем выше номинальная мощность резистора, тем больше его размер для обеспечения надежного рассеяния этой мощности. Таким образом, номинальная мощность резистера указывает на ту максимальную мощность, которую может надежно рассеивать данный резистор.
Разработка схем
При разработке электронных схем необходимо рассчитывать величину мощности, рассеиваемой резистором, для обеспечения того, чтобы эта мощность была ниже номинальной мощности резистора. Если этого не сделать, резистор может буквально сгореть. Для иллюстрации: для резистора мощностью 1/4 Вт значения тока и напряжения должны быть такими, чтобы полная рассеиваемая резистором мощность была меньше, чем эта номинальная мощность 1/4 Вт.
Формулы мощности
Мощность может рассчитываться при помощи трех следующих основных формул:
При условии, что большинство используемых в школьной лаборатории резисторов представляют собой элементы с мощностью 1/4 Вт, укажите, была ли превышена номинальная мощность данного резистора.
Рис. 10-3. 3. Соберите схему, показанную на рисунке 10-3. В ней резистор 1 кОм является имитацией внутреннего сопротивления генератора 9 В, представленного источником питания. В шаге 4 Вы будете подключать резисторы с различными сопротивлениями в качестве нагрузки и определять величину мощности, которая рассеивается в каждом случае. 4. В следующей таблице приведены значения сопротивлений, которые Вы будете использовать в качестве нагрузки. Начиная с самого маленького из указанных значений, подключите этот резистор к схеме, которую Вы только что собрали. Выполните измерение напряжения на сопротивлении, а затем рассчитайте величину рассеиваемой на нем мощности. Повторяйте данный шаг для каждого приведенного в таблице сопротивления и записывайте получаемые значения в таблицу.
5. Обратитесь теперь к Вашим табличным данным. Заметьте, какое сопротивление нагрузки приводит к наибольшей величине мощности рассеяния. RL == ______ Ом 6. Как это соотносится сравнительно с внутренним сопротивлением генератора? 7. Размонтируйте схему. ОБЗОРНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Мощность, рассеиваемая на резисторе, к которому приложено напряжение 12 В и через который протекает ток 0,15 А, составляет: а) 1,25 Вт, б) 1,8 Вт, в) 12,5 Вт, г) 80 Вт. 2. Ток, протекающий через резистор 22 Ом, имеет величину ЗА. Рассеиваемая мощность имеет величину: а) 7,3 Вт, б) 22 Вт, в) 66 Вт, г) 198 Вт. 3. К резистору 4,7 кОм, 1/4 Вт приложено напряжение 40 В. При этом мощность, рассеиваемая на резисторе, превышает номинальную мощность: а) высказывание верно, б) высказывание неверно. 4. Мощность рассеивается в виде: а) света, б)электрического поля, в) тепла, г) магнитного поля. 5. Радиопередатчик имеет выходное сопротивление 500м. Его нагрузкой служит антенна. Антенна для обеспечения максимальной выходной мощности должна иметь сопротивление: а) 25 Ом, б) 50 Ом, в) 100 Ом, г) 150 Ом.
ЭКСПЕРИМЕНТ Мостовые схемы
Цели
После проведения данного эксперимента Вы сможете распознавать, собирать и уравновешивать мостовую схему.
Необходимые принадлежности
* Цифровой мультиметр
* Макетная панель
* Источник постоянного напряжения
* Один потенциометр 10 кОм * Резисторы — 1/4 Вт, 5%:
один резистор 4, 7 кОм,
один резистор 12 кОм,
один резистор 18 кОм,
один резистор 100 кОм.
Вводная часть
Мостовая схема — это специальное соединение элементов, которое формирует выходное напряжение, сбалансированное относительно массы. Эта схема широко используется в измерительных приборах и во множестве промышленных схем, предназначенных для контроля.
Основная мостовая схема показана на рисунке 8-1А. Схема представлена в типичной ромбовидной конфигурации, чтобы ясно распознавать ее в качестве мостовой схемы. При более детальном рассмотрении Вы можете видеть, что мостовая схема — это по существу два делителя напряжения, параллельно подключенные к источнику питания. Это четко можно видеть по мостовой схеме, представленной в виде, показанном на рисунке 8-1 Б. Заметьте, что выходной сигнал снимается между двумя выходами делителей напряжения (точки А и В).
Рис. 8-1А.
Рис. 8-1 Б.
Обычно выходное напряжение делителя напряжения снимается с точки соединения двух резисторов относительно массы. В мостовой схеме выходное напряжение снимается между двумя выходами делителей напряжения, а не относительно массы. Такой тип выхода называется дифференциальным (или симметричным) выходом.
Равновесие моста
Основное нейтральное состояние в мостовой схеме называется равновесием моста. Уравновешенный мост — это такой мост, выходное напряжение которого равно нулю. Такое состояние имеет место в том случае, когда выходное напряжение одного делителя напряжения равно выходному напряжению другого делителя напряжения, относительно массы. Если ввести в мостовую схему один или больше резистивных элементов с варьируемым сопротивлением, можно легко привести мост к такому уравновешенному состоянию. Равновесие моста имеет место в том случае, если сопротивления моста связаны следующим соотношением:
R1/R2= R3/R4
Иными словами, если отношения резисторов в делителях напряжения одинаковы, мост уравновешен, и выходное напряжение равно нулю.
Мост не уравновешен, если выходное напряжение одного делителя напряжения выше или ниже выходного напряжения другого делителя напряжения.
Например, если на рисунке 8-1 напряжение в точке А больше, чем напряжение в точке В, точка А будет иметь больший положительный потенциал, чем точка В. Если возникнет такое состояние, через нагрузку потечет ток от А к В. Если же мост нс уравновешен в другом направлении, и напряжение в точке В выше напряжения и точке А, произойдет противоположное, то есть, ток потечет через нагрузку от точки В к точке А. Краткое содержание В данной работе Вы соберете мостовую схему и поэкспериментируете с ней. В одном из плечей моста будет использоваться потенциометр для обеспечения различных только что описанных состояний. ПРОЦЕДУРА 1. Обратитесь к схеме на рисунке 8-2. Значения сопротивлений R1, R2 и R3, заданы. R4 —это потенциометр, подключенный в качестве переменного резистора, который может подстраиваться на любое значение между 0 и 10кОм. Используются только два из трех выводов потенциометра — центральный подвижный и один неподвижный вывод. Используя формулу, приведенную для уравновешенного моста, рассчитайте сопротивление, на которое должен быть установлен потенциометр R4, чтобы уравновесить мост. Для этого преобразуйте формулу, чтобы вычислить R4, и запишите полученное значение. R4 = _____ Ом 2. Соберите схему, показанную на рисунке 8-2. Установите резистор R4 на середину его диапазона в качестве начальной позиции.
Рис. 8-2. 3. Включите Ваш мультиметр между точками А и В для измерения напряжения. Вы должны сосчитать на индикаторе некоторое значение напряжения. Установите на мультиметре переключатель пределов измерения в позицию для максимальной разрешающей способности. 4. Теперь регулируйте потенциометр R4 до тех пор, пока напряжение между точками А и В не станет равным нулю. Когда Вы получите нулевое показание, переключите мультиметр на следующий более низкий предел измерения. Вы можете заметить некоторое остаточное напряжение. В данном случае продолжайте точную настройку потенциометром, пока не получите нулевого показания. Это будет уравновешенное состояние моста. 5. При уравновешенном состоянии моста измерьте напряжение в точке А по отношению к массе (в качестве которой служит отрицательный вывод источника питания) и в точке В по отношению к массе.
Запишите полученные значения. Va=_____В Vв=_____В 6. Удалите потенциометр R4 из макетной панели. Делайте это осторожно, чтобы не нарушить настройку. После того, как Вы удалите потенциометр, измерьте его сопротивление между двумя выводами, которые Вы присоединяли к мостовой схеме. Запишите полученное значение сопротивления. R4 = ____ Ом 7. Сравните ваши расчетное и измеренное значения R4 для уравновешенного моста. 8. Снова включите потенциометр в мостовую схему. При этом Вы должны вставить выводы потенциометра в те же самые отверстия. Выполните измерение напряжения между точками А и В, чтобы убедиться в том, что оно все еще равно нулю. Если это не так, перенастройте R4 таким образом, чтобы обеспечить уравновешенное состояние моста. 9. Непрерывно контролируя напряжение между точками А и В, перемещайте движок потенциометра как в направлении по часовой стрелке, так и против часовой стрелки, из положения, при котором мост уравновешен. Замечайте амплитуду и полярность напряжения во время варьирования. Запишите амплитуду и полярность напряжения в положениях максимального выведения подвижного контакта резистора R4 в направлении по часовой стрелке и против часовой стрелки. Выходное напряжение = _______ В (макс. против часовой стрелки) Выходное напряжение =_____ В (макс. по часовой стрелке) 10. Размонтируйте схему. ОБЗОРНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Когда мост уравновешен, выходное напряжение: а) равно напряжению источника питания, б)невозможно определить, в) имеет бесконечную величину, г) равно нулю. 2. Мостовая схема составлена из двух более простых схем следующего типа: а) делители напряжения, б) последовательные схемы, в) параллельные схемы, г) делители тока. 3. В мостовой схеме на рисунке 8-1 напряжение между точкой А и массой равно +7,5 В. Напряжение между точкой В и массой равно +4,6 В, В каком направлении будет протекать ток в нагрузке? а) слева направо, б) справа налево, в) ток протекать не будет. 4. В мостовой схеме на рисунке 8-1 сопротивление R1 неизвестно, R2, = 1 кОм, R3 = 3 кОм, R4 = 8 кОм.Каким должно быть сопротивление R1 для равновесия моста? а) 375 Ом, б) 1,25 кОм, в) 2,4 кОм, г) 2,67 кОм. 5. Один выходной контакт моста соединен с массой: а) высказывание верно, б) высказывание неверно.
ЭКСПЕРИМЕНТ Ознакомление с мультиметром
Цели
После проведения данного эксперимента Вы сможете измерять напряжение, ток и сопротивление, используя цифровой мультиметр.
Необходимые принадлежности
* Цифровой мультиметр
* Источник постоянного напряжения
* Одна батарея на 9 вольт
* Один элемент (для карманного фонарика) типоразмера АА, С или D
* Резисторы — 1/2 Вт: один резистор 1 кОм
ВВОДНАЯ ЧАСТЬ
В своей деятельности в качестве техника Вам придется использовать множество контрольных приборов различного типа для тестирования, измерения и обнаружения неисправностей в электронном оборудовании. Мультиметр — это прибор, который будет чаще всего использоваться Вами. Этот прибор предназначен для измерения трех следующих наиболее важных характеристик в любой электронной схеме: напряжение, ток и сопротивление. Большинство мультиметров могут измерять как постоянное, так и переменное (синусоидальное) напряжение, постоянный и переменный ток, а также
сопротивление постоянному току. Два испытательных вывода от мультиметра подключаются к схеме или ее элементу для выполнения этих измерении. Мультиметр является универсальным прибором, который Вы будете использовать практически каждый день в вашей работе. Вы будете использовать мультиметр во всех экспериментах с постоянным током в соответствии с данным руководством по лабораторной практике. Имеется два основных типа мультиметров для общего использования: аналоговый и цифровой.
Аналоговые мультиметры
В аналоговом мультиметре применяется стандартная измерительная шкала с указателем. Значение напряжения, тока или сопротивления отсчитываются от позиции указателя на измерительной шкале. Определение показаний аналогового мультиметра очень похоже на определение времени по стрелкам на часах. В случае часов Вам приходится интерполировать число секунд между маркировками минут. Точно так же при работе с аналоговым мультиметром Вы должны определять или оценивать фактическое значение путем интерполирования между маркировками напряжений, токов или сопротивлений на измерительной шкале.
Аналоговые мультиметры все еще широко используются, поскольку они недороги и надежны в работе.
Их основным недостатком является то, что они имеют меньшую точность и больший разброс при измерениях. В большинстве случаев погрешность аналогового мультиметра составляет менее 2% от пределов измерения по шкале прибора, что вполне приемлемо в большинстве практических применении. Тем не менее, во многих случаях желательны более точные измерения. Цифровые мультиметры Цифровой мультиметр подобен аналоговому мультиметру в том отношении, что он также является универсальным измерительным прибором, способным измерять напряжение, ток и сопротивление. Основным отличием является то, что результаты измерений выводятся на устройство десятичной цифровой индикации. В большинстве цифровых мультиметров имеется жидкокристаллический индикатор (дисплей), который похож на дисплей, используемый в цифровых электронных часах. Значение тока, напряжения или сопротивления выводится в виде десятичных цифр на семисегментные индикаторы. Индикация в более старых цифровых мультиметрах осуществляется с использованием индикаторов на светоизлучаюших диодах. В некоторых стендовых больших мультиметрах все еще используются светодиодные индикаторы. В дополнение к удобствам, связанным с использованием десятичных дисплеев, цифровые мультиметры обеспечивают также более высокую точность измерений. Хороший цифровой мультиметр обеспечивает точность измерений от 0, 5% до 1% от фактического значения. Такие точные измерения предпочтительны при тестировании электронных схем, поскольку они дают наилучшую информацию о состояниях схем. Цифровые мультиметры имеют также более высокую разрешающую способность измерительной системы, что обеспечивает более высокоточные измерения с большим числом десятичных разрядов. Краткое содержание Мультиметр является измерительным прибором, который при надлежащем его использовании расскажет Вам о состоянии электронной схемы. В данном эксперименте Вы научитесь пользоваться одним из мультиметров Вы научитесь измерять постоянное напряжение, постоянный ток и сопротивление. ПРОЦЕДУРА 1. Ознакомьтесь с мультиметром.
Он должен быть аналоговым или цифровым устройством, в зависимости от того, какой тип имеется в вашей лаборатории. Остановимся на цифровом мультиметре. Исследуйте дисплеи и органы управления. Укажите конкретные особенности мультиметра в предусмотренных полях (см. ниже): а) тип дисплея ____________________ б) выбор функции измерения (напряжение, ток, сопротивление): при помощи кнопочных переключателей___ при помощи ползункового переключателя___ при помощи поворотного переключателя ___ в) выбор диапазона измерения: при помощи кнопочных переключателей ___ при помощи ползункового переключателя___ при помощи поворотного переключателя ___ г) выбор типа измерения (по постоянному току или переменному току): при помощи кнопочного переключателя ___ при помощи ползункового переключателя __ при помощи поворотного переключателя ___ 2. Теперь посмотрите на испытательные выводы мультиметра. Черный вывод называется общим выводом или выводом массы. Красный вывод называется потенциальным выводом. Черный вывод вставляется в гнездо СОМ на передней панели мультиметра. Красный вывод вставляется в отверстие с маркировочными символами оммы и вольты (ft и V). Другое (другие) гнездо (гнезда) на передней панели мультиметра используется (используются) при измерении тока. Черный вывод всегда остается в гнезде СОМ, однако, красный вывод вставляется или в отверстие А, или в отверстие 10А при выполнении измерений тока соответственно до одного ампера или до 10 ампер. Сейчас вставьте красный вывод в гнездо ft/V. 3. Перед тем, как подключать испытательные выводы, в частности, когда измеряемое напряжение или ток неизвестны, желательно устанавливать мультиметр на максимально возможный предел измерений. Это позволяет предотвратить выход мультиметра из строя. Если показание при этом слишком мало, Вы можете шаг за шагом выполнять переключение на более низкие пределы измерений, чтобы получить наиболее оптимальное показание прибора. Когда же диапазон измерения измеряемой величины известен, то для получения наиболее точных значений измерения всегда выбирайте такой предел измерений, который несколько выше измеряемой величины.
Например, если Вы желаете измерить напряжение 15 В, установите переключатель на предел измерений 20 В, а не на предел измерений 200 В. Большинство мультиметров имеют следующие пределы измерений: » напряжения: 200 мкВ, 2 мВ, 20 м В, 200 м В, 2В, 20В, 200В, 1000В » токи: 200 мкА, 2 мА, 20 мА, 200 мА, 1 А » сопротивления: 2000м, 2 кОм, 20к0м, 200 кОм, 2МОм Если Ваш мультиметр имеет отличающиеся пределы измерений, запишите их все в только что приведенном формате. Используя приведенные пределы измерений, укажите оптимальный предел измерения для измерения каждого из следующих электрических сигналов: а) 120 В = выбрать предел измерения ______ б) 3 мА = выбрать предел измерения ______ в) 470 кОм = выбрать предел измерения ____ 4. Чтобы научиться использовать мультиметр, Вы сейчас измерите постоянные напряжения батарей. Мультиметр, установленный для измерения напряжений, называется вольтметром. Включите мультиметр. Установите переключатель пределов измерения и переключатель функций для измерения напряжения батареи 9 В. После этого прикоснитесь пробниками к выводам батареи 9 В. Коснитесь красным выводом к положительному контакту (+) батареи, а черным выводом — к отрицательному контакту (—) батареи. Сосчитайте измеренное напряжение на дисплее прибора и запишите его в предусмотренное ниже поле. Напряжение батареи = _______ В 5. Поменяйте между собой пробники на контактах батареи 9 В. Коснитесь черным выводом к положительному контакту (+) батареи, а красным выводом — к отрицательному контакту (—) батареи. Сосчитайте измеренное напряжение на дисплее прибора и запишите его в предусмотренное ниже поле. Напряжение батареи (при обращении пробников) = _______ В Объясните различие между двумя показаниями. 6. Теперь измерьте напряжение стандартного элемента для карманного фонаря. Вы можете использовать элемент большего размера D, меньшего размера С или миниатюрный элемент АА. Прежде чем измерять напряжение элемента, точно определите положительный и отрицательный контакты элемента. После этого измерьте напряжение, подключая пробники прибора к соответствующим контактам элемента.
Используйте позицию 20 В на переключателе мультиметра. Поменяйте теперь местами пробники на контактах элемента и снова измерьте напряжение. Запишите оба показания в предусмотренных ниже полях.
Напряжение элемента = _______ В Напряжение элемента (при обращении пробников) == _______ В Снова объясните любые отличия, замеченные при измерениях. 7. Установите переключатель мультиметра в позицию 2 В и снова повторите измерение напряжения элемента для карманного фонаря. Запишите полученное значение напряжения. Напряжение элемента = ______ В Объясните разницу между показаниями, полученными при измерении в диапазонах измерения 2В и 20 В. 8. Далее измерьте напряжение лабораторного источника питания. Большинство таких источников питания имеет изменяемое выходное напряжение. Включите источник питания и подключите испытательные выводы мультиметра к выходам источника питания. Если источник питания имеет свой собственный встроенный измерительный прибор, установите выходное напряжение 30 В. Если источник питания не может формировать такое большое напряжение, установите его выходное напряжение 14 В. Если источник питания не имеет встроенного измерительного прибора, используйте Ваш мультиметр для измерения выходного напряжения. Установите мультиметр на продел измерения 200 В и измерьте выходное напряжение 30 В. Если на выходе только 14В, используйте 20-вольтовый диапазон измерений мультиметра для измерения этого напряжения. Теперь выполните переключение на следующий более низкий предел измерения (20 В в случае выходного напряжения З0В или 2 В в случае выходного напряжения 14 В). Опишите, что показывает дисплей мультиметра. 9. Теперь Вы будете использовать мультиметр для измерения сопротивлений. В данном режиме мультиметр называется омметром. Установите переключатель мультиметра в положение 2 кОм. Затем дотроньтесь пробниками до двух выводов резистора с номиналом 1 кОм (с цветовым кодом коричневый-черный-красный-золотой). Запишите показание в предусмотренное ниже поле. Значение сопротивления = _______Ом 10.
Поменяйте пробники местами и снова измерьте сопротивление. Какое различие Вы заметили, если вообще заметили таковое? 11. Заметьте эффект разомкнутой или замкнутой цепи. При установке мультиметра в режим омметра он может использоваться для измерения так называемой целостности цепи. Другими словами, омметр может обнаруживать разомкнутый контур (бесконечное сопротивление) и замкнутый контур или короткое замыкание (нулевое сопротивление). При использовании мультиметра, установленного на предел измерения 2 кОм, коснитесь измерительными выводами друг друга. Это состояние представляет собой короткое замыкание. Какое сопротивление Вы измерили при этом? Сопротивление при коротком замыкании =_________Ом Теперь оставьте измерительные выводы открытыми, не касающимися друг друга или чего-нибудь иного. Это соответствует незамкнутому контуру. Что Вы при этом считываете на дисплее мультиметра? Какому сопротивлению это соответствует? Показание мультиметра =_________ Сопротивление разомкну той цепи =__ Ом 12. Теперь Вы переходите к измерению тока. Мультиметр, используемый таким образом, превращается в амперметр. Для измерения Вам потребуется вставить красный пробник в гнездо с маркировкой А на передней панели Вашего мультиметра. Черным вывод остается соединенным с гнездом СОМ. Установите переключатель мультиметра на предел измерения 20 мА. Для измерения тока Вы должны построить простую электрическую схему, через которую должен протекать ток. Вы сделаете это при использовании батареи 9 вольт и резистора 1 кОм. Цепь, которую Вы должны собрать, в схематическом виде представлена на рисунке 1-1. Через эту цепь будет протекать ток величиной в один миллиампер (1 мА) или 0, 001 ампера.
Рис. 1-1. Мультиметр, включенный в цепь в качестве амперметра. Чтобы собрать цепь, соедините один вывод резистора к отрицательному контакту батареи 9 вольт. После этого коснитесь красным выводом мультиметра к положительному контакту батареи, а черным выводом к свободному выводу резистора 1 кОм. Снимите показание тока на дисплее и запишите это значение. Ток в цепи = _________ мА Как это согласуется с Вашим расчетным значением? Объясните различия, если таковые имеются. 13.
Поменяйте теперь местами пробники мультиметра и повторите шаг 12. Чем отличается новое показание? Объясните. ОБЗОРНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Какой диапазон мультиметра Вы бы использовали для измерения 2, 7 В? а) 200 мВ, б) 2 В, в) 20 В, г) 200 В. 2. Какое главное преимущество в использовании наименьшего возможного диапазона для измерения электрических величин? а) предотвращение повреждения мультиметра, б) более высокая точность представления, в) более высокая скорость измерения, г) более высокая точность измерения. 3. Если в показании мультиметра имеется 1 в самой левой позиции (старший значащий разряд) на дисплее, это означает, что Вы: а) измеряете разомкнутую цепь или бесконечное сопротивление, б) установили слишком низкий предел измерения для измеряемой величины, в) имеете случай а и б, г) имеете случай, отличный и от а и от б. 4. Если при измерении напряжения на дисплее появляется отрицательный знак, это означает, что красный измерительный вывод по отношению к черному пробнику (СОМ) имеет следующую полярность: а) отрицательную, б) положительную. 5. Справедливо ли высказывание: Должна соблюдаться правильная полярность измерительных выводов при измерении сопротивления? а) да, б) нет.
ЭКСПЕРИМЕНТ Параллельные схемы
Цели
После проведения данного эксперимента Вы, сможете рассчитать общее сопротивление нескольких включенных параллельно резисторов и проверить закон Кирхгофа для тока в параллельных схемах.
Необходимые принадлежности
* Цифровой мультиметр
* Макетная панель
* Источник постоянного напряжения
* Резисторы — 1/4 Вт, 5%:
один резистор 2, 2 кОм, один резистор 4, 7 кОм, один резистор 10 кОм.
ВВОДНАЯ ЧАСТЬ
В параллельной схеме все резисторы или другие элементы подключаются непосредственно к источнику питания. На рисунке 5-1 иллюстрируется параллельная схема, в которой четыре резистора подключены непосредственно к источнику питания. Источник питания создает ток, протекающий через каждый резистор. Каждый резистор или иной схемный элемент называется при этом ветвью параллельной схемы.
Рис. 5-1.
Общий ток, потребляемый из источника питания на рисунке 5-1, представляет собой просто сумму токов, протекающих в каждой ветви параллельной схемы. В данном случае общий ток схемы равен:
Iт=I1 + I2 + I3+ I4
Это соотношение известно как закон Кирхгофа для тока в параллельной схеме. Этот закон говорит о том, что сумма токов в отдельных ветвях параллельной схемы равна общему току, потребляемому от источника питания. Закон Кирхгофа для тока позволяет легко осуществлять анализ и разработку параллельных схем.
Общий ток и токи в ветвях параллельной схемы могут вычисляться или измеряться. Тем не менее, имеются некоторые виды схем, когда один из токов в ветвях неизвестен. В подобном случае неизвестный ток в ветви может определяться путем комбинирования вычислений и измерений.
Предположим, например; что ток через R2, и на рисунке 5-1 неизвестен. Вы можете легко определить его, если алгебраически преобразуете основную формулу для отыскания I2,. Вам требуется просто вычесть все известные токи в ветвях от общего тока, чтобы получить неизвестное значение:
I2= It— I1-I3 —I4
или I2=It- (I1+I3+I4)
При измерении и/или вычислении значений неизвестный ток может быть определен.
Чтобы определить полное сопротивление двух или более резисторов, соединенных между собой параллельно, используются специальные формулы.
Когда два резистора соединяются параллельно, полное сопротивление их комбинации определяется при помощи простого выражения: Rt=R1 R2/(R1+R2) Когда три или больше резисторов соединяются параллельно, может использоваться следующая формула: Rt= l/(l/R1 + 1/R2 + 1/R3+...) Хотя эта формула выглядит довольно сложной, ее относительно легко использовать, если у Вас имеется электронный калькулятор. Просто вводите значения и находите их обратные величины. Обратной величиной числа является единица, деленная на это число (1/х). Обратной величиной R1, является 1/R1. После этого все обратные величины складываются, и для нахождения значения полного сопротивления определяется обратная величина полученной суммы. Краткое содержание В данном эксперименте Вы приступаете к проверке использования формул для вычисления сопротивлении, включенных параллельно. Затем Вы проделаете расчеты и измерения для типичной параллельной схемы, чтобы проверить закон Кирхгофа для тока. ПРОЦЕДУРА 1. Соберите схему, показанную на рисунке 5-2. 2. Используя значения, указанные на рисунке 5-2, рассчитайте полное сопротивление схемы. Rt == _________ Ом 3. Теперь используйте Ваш мультиметр, чтобы измерить полное сопротивление параллельно соединенных резисторов на рисунке 5-2. Rt = _________ Ом
Рис. 5. 2. 4. Сравните Ваши вычисленное и измеренное в шагах 2 и 3 значения и объясните возможную разницу. 5. Соберите параллельную схему, показанную на рисунке 5-3, присоединяя резистор 10 кОм параллельно к другим двум.
6. Используя приведенную выше формулу обратных величин, рассчитайте полное сопротивление параллельно включенных элементов на рисунке 5-3. Rt = ______ Ом
Соедините красный измерительный вывод с гнездом А. Подключите амперметр между положительным выводом источника питания и Вашей параллельной схемой. Не забывайте соблюдать правильную полярность при подключении. Затем измерьте общий ток схемы и запишите его величину. Iт = _____ мА 12.Отсоедините мультиметр и снова подключите общую точку схемы к положительному выводу источника питания. Затем выполняйте последовательное подключение мультиметра в каждую из параллельных резисторных ветвей и измеряйте ток, протекающий через каждую ветвь. Один из способов такого подключения показан на рисунке 5-5. Просто отсоедините один вывод резистора, ток через который Вы желаете измерить, и включите мультиметр между этим выводом резистора и отрицательным полюсом источника питания. По завершении измерения тока через каждый резистор снова подключайте данный резистор к отрицательному полюсу источника питания, прежде чем отсоединять другой резистор. Данную процедуру используйте для измерения тока через каждый резистор и запишите все полученные значения. I1= _______ мА I2 = ________ мА I3 = _____ МА 13. Теперь, используя ваши измеренные значения, вычислите общий ток схемы. It = _____ мА 14.Сравните измеренные значения токов через резисторы со значениями, которые Вы вычислили ранее. Сравните также вычисленное и измеренное значения общего тока в схеме. Объясните возможные отличия.
Рис. 5-5. ОБЗОРНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Пять резисторов 10 кОм соединены параллельно. Общее сопротивление равно: а) 2 кОм, б)10 кОм, в) 25 Ом, г)50 кОм. 2. В параллельной схеме наибольший ток ветви имеет место через резистор: а)с наибольшим сопротивлением, б)с наименьшим сопротивлением. 3. В параллельной схеме полное сопротивление меньше, чем самое маленькое сопротивление отдельной ветви: а) высказывание верно, б) высказывание неверно. 4. Параллельная схема имеет две ветви. В одной ветви ток I1= 40 мА. Общий ток в схеме It= 128мА. Ток во второй ветви I2, равен: а) 51 мА, б) 68 мА, в) 88 мА, г) 168 мА. 5. Если удаляется один резистор из параллельной схемы из четырех резисторов, полное сопротивление схемы: а) уменьшается до нуля, б) остается без изменения, в) уменьшается, г) увеличивается.
ЭКСПЕРИМЕНТ Последовательные схемы
Цели
После проведения данного эксперимента Вы сможете рассчитывать общее сопротивление нескольких включенных последовательно резисторов и использовать закон Кирхгофа для напряжений, чтобы осуществлять расчеты и измерения для последовательных схем.
Необходимые принадлежности
* Цифровой мультиметр
* Макетная панель
* Источник постоянного напряжения * Резисторы — 1/4 Вт, 5%:
один резистор 470 Ом,
один резистор 680 Ом,
один резистор 2, 2 кОм,
один резистор 4, 7 кОм,
один светоизлучающий диод (LED).
ВВОДНАЯ ЧАСТЬ
Имеется два основных способа подключения электронных компонентов к источнику питания. При последовательном включении все компоненты подключаются концами друг к другу, образуя простую цепочку, которая соединяется с источником питания. При параллельном включении (эксперимент 5) каждый из отдельных компонентов подключается непосредственно к источнику питания. Естественно, имеются более сложные схемы, в которых используются те или иные комбинации последовательных и параллельных соединений (эксперимент 6). В данном эксперименте Вы узнаете, как выполнять последовательное включение компонентов и осуществлять различные расчеты и измерения.
Сначала познакомимся с тем, как вычислять общее сопротивление последовательной схемы. Если два или более резисторов включены последовательно, общее сопротивление комбинации равно простой сумме отдельных сопротивлений.
Типичная последовательная схема показана на рисунке 4-1. Общее сопротивление Rт равно сумме отдельных сопротивлений, то есть:
Rт=R1+ R2+ R3
При показанных значениях сопротивлений резисторов общее сопротивление равно:
Rт= 50+ 75+ 30 = 1550м
Три отдельных резистора могут быть заменены единственным резистором с номиналом 155 Ом, при этом никаких изменений в токе схемы не будет.
Падение напряжения
Когда ток протекает через последовательную схему, на каждом сопротивлении происходит падение напряжения. Па рисунке 4-1 показана последовательная схема с напряжениями, указанными для каждого сопротивления. Заметьте полярность падения напряжения на каждом резисторе.
Рис. 4-1. Конечно, напряжение, падающее на каждом резисторе, может определяться на основании закона Ома. В данном случае общин ток схемы умножается на величину сопротивления каждого резистора для получения соответствующего падения напряжения. Например, напряжение на R2: V2 = IR2 Исключительно важной характеристикой последовательной схемы, что надо хорошо запомнить, является то, что сумма отдельных падений напряжения равна напряжению источника. Заметьте на рисунке 4-1, что сумма, полученная сложением напряжений на резисторах R1, R2, и R3 такая же, как и общее приложенное напряжение. Vs= V1 + V2 + V3 Это основное соотношение известно как закон Кирхгофа для напряжений. Закон этот чрезвычайно полезен при осуществлении расчетов для последовательных схем. При использовании данного соотношения различными способами можно легко выполнять анализ и разработку последовательных схем. Токоограничивающие резисторы Примером использования закона Кирхгофа является расчет последовательных гасящих резисторов. Последовательный гасящий резистор — это просто резистор, соединенный последовательно с некоторым устройством с той целью, чтобы понизить напряжение, прилагаемое к данному устройству. Такой резистор называется также токоограничивающим резистором. Часто оказывается необходимым, например, включать лампу накаливания от источника высокого напряжения. Чтобы избежать повреждения устройства при перенапряжении, резистор включается последовательно с устройством, чтобы погасить излишнюю величину напряжения (см. рис. 4-2). Кроме того, может оказаться необходимым включить трехвольтовую лампочку от батареи питания 12 В. Если приложить все напряжение 12 В к лампочке, последняя перегорит. Однако при включении последовательно с лампочкой резистора с правильно выбранным сопротивлением на резисторе создастся падение излишнего напряжения 9 вольт, тогда как для лампочки останется только 3 вольта необходимого ей напряжения. Короче говоря, резистор выбирается для ограничения тока через лампочку до максимально безопасной величины.
Рис. 4-2. Краткое содержание В данном эксперименте Вы убедитесь, что общее сопротивление последовательной схемы равно сумме отдельных сопротивлений включенных последовательно резисторов. Затем Вы проверите справедливость закона Кирхгофа для напряжении. Наконец, Вы рассчитаете последовательный гасящий резистор для светоизлучающего диода. Рис. 4-3.
ПРОЦЕДУРА 1. Используя значения, указанные на рис. 4-3, рассчитайте общее сопротивление схемы. Rт= _____Ом (вычисленное значение) 2. Соберите схему, показанную на рисунке 4-3. 3. Используя Ваш мультиметр, измерьте общее сопротивление схемы. Rт= ______Ом (измеренное значение) 4. Сравните Ваши вычисленное и измеренное значения и объясните возможную разницу.
Рис. 4-4. 5. Подключите источник питания 9 В к схеме (см. рис. 4-4). 6. Используя значение общего сопротивления, которое Вы подсчитали ранее, рассчитайте и запищите ожидаемый ток в цепи при приложенном напряжении 9 В. I =_____мА 7. Теперь, используя закон Ома, вычислите и запишите напряжение, падающее на каждом резисторе. V1= _______ В V2 = _______ В V3= _______ В 8. Теперь вычислите и запишите сумму отдельных падений напряжения. Vs=v1+v2+v3___В 9. Используя Ваш мультиметр, измерьте падение напряжения на каждом резисторе. Не забывайте, что Вы измеряете напряжения постоянного тока, и Вам следует прикасаться испытательными выводами мультиметра к выводам резистора в корректном направлении, чтобы получить правильные в отношении полярности показания. Заметьте полярности для падений напряжения в схеме на рисунке 4-4. Запишите Ваши измеренные падения напряжения, а затем вычислите их сумму. V1=_____В V2=______В V3=____в Vs=______В 10. Сравните Ваши измеренные и расчетные значения для падений напряжения и общего напряжения. Равна ли сумма падений ли напряжения напряжению источника? 11. Обратитесь к рисунку 4-5. Здесь показан светоизлучающий диод, который должен запитываться от источника питания 9 В. Ваша задача определить сопротивление последовательного гасящего резистора R1.
В проводящем состоянии светоизлучающего диода на нем падает напряжение приблизительно 2 В. Ток величиной 15 мА требуется для обеспечения умеренной яркости. Рассчитайте сопротивление потребного последовательного гасящего резистора. Запишите это значение сопротивления. R1= ________ Ом
Рис. 4. 5. 12. Среди имеющихся в Вашей лаборатории резисторов выберите резистор с сопротивлением, ближайшим по величине к найденному Вами. Затем соберите схему, показанную на рисунке 4-5. Обеспечьте соблюдение полярности как для подключения батареи, так и для выводов светоизлучающего диода. При этом отрицательный вывод источника питания должен быть подключен к катодному выводу светодиода (этот вывод идентифицируется плоской стороной на корпусе диода). В символе светодиода стрелка является анодом, тогда как прямая черта соответствует катоду. 13. Если Вы рассчитали и выбрали корректное сопротивление резистора, должен загореться светоизлучающий диод. Измерьте падения напряжения на резисторе R1 и на светоизлучающем диоде (LED). V1=______В Vled=_____В Vs=_______В 14. Равна ли сумма падений напряжения напряжению источника питания? Сравните измеренные и рассчитанные значения. Имеются ли какие-либо отличия? Объясните разницу, если таковая имеется. ОБЗОРНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Два резистора (R1 и R2) соединены последовательно. Сопротивление R1 = 68 Ом. Общее сопротивление R = 150 Ом. Каково значение сопротивления R2? а) 28 Ом, б) 82 Ом, в) 86 Ом, г) 218 Ом. 2. В последовательной схеме падения напряжений на резисторах равны V1 = 2.5 В, V2, = 1,8 В, V3 = 3,4 В и V4 = 6, 9 В. Каково напряжение источника питания? а) 10, 3 В, б) 12, 1 В, в) 12, 8 В, г) 14, 6 В. 3. Справедливо ли высказывание: «Ток через все последовательно соединенные резисторы в схеме одинаков»? а) да, б) нет. 4. Лампочка напряжением 6 В потребляет ток 0, 15 А. Чтобы подключить ее к источнику питания 15В, Вам требуется последовательный гасящий резистор: а) 33 Ом, б) 50 Ом, в) 60 Ом, г) 120 Ом. 5. В последовательную цепь включены резисторы 180 Ом, 2, 7 кОм, 5, 6 кОм и 6, 8 кОм.На каком из резисторов будет наименьшее падение напряжения? а) 180 Ом, б) 2, 7 кОм, в) 5, 6 кОм, г) 6, 8 кОм.
ЭКСПЕРИМЕНТ Постоянная времени RC-цепи
Цели
После проведения данного эксперимента Вы сможете продемонстрировать, как величины емкости и сопротивления управляют временем заряда и разряда конденсатора.
Необходимые принадлежности
* Цифровой мультиметр
* Макетная панель
* Источник постоянного напряжения
* Секундомер или часы с секундной стрелкой
* Элементы:
один электролитический конденсатор 22 мкФ, один электролитический конденсатор 100 мкФ, один резистор 33 кОм, 1/4 Вт,
* один резистор 100 кОм, 1/4 Вт, один резистор 220 кОм, 1/4 Вт, один резистор 1 МОм, 1/4 Вт.
ВВОДНАЯ ЧАСТЬ
Конденсатор представляет собой электроэлемент, который накапливает электричество в форме электрического поля. Когда к конденсатору прикладывается постоянное напряжение, электроны покидают одну обкладку конденсатора и скапливаются на другой обкладке под действием
внешней силы напряжения. Это приводит к заряду конденсатора до напряжения, равного приложенному напряжению.
Положительный заряд на одной обкладке конденсатора и отрицательный заряд на другой обкладке конденсатора создают сильное электрическое поле между обкладками в диэлектрике. Такой заряд удерживается даже в том случае, если источник напряжения отсоединяется. Конденсатор может разряжаться соединением его выводов друг с другом для нейтрализации заряда на обкладках.
Зарядка и разрядка конденсатора до определенного напряжения занимает конечный период времени (называемый постоянной времени); это время зависит в основном от емкости конденсатора и включенного последовательно сопротивления. Постоянная времени зарядки — это время, которое требуется конденсатору, чтобы зарядиться до 63, 2% приложенного напряжения. Это время (Т) в секундах выражается так:
Т=RС
Постоянная времени разрядки — это время, которое требуется конденсатору, чтобы разрядиться до 36, 8% от начального заряда.
Время, которое требуется конденсатору, чтобы полностью зарядиться до приложенного напряжения или полностью разрядиться до нуля, приблизительно равно пятикратной постоянной времени, то есть 5Т.
Краткое содержание
Многие электронные схемы основываются на идее использования постоянной времени для своей работы.
К таким схемам относятся, например, схемы задержки времени, схемы формирования импульсов и сигналов, а также генераторные схемы. В настоящем эксперименте Вы познакомитесь с постоянной времени заряда и разряда, используя для этого три различных группы резисторов и конденсаторов. ПРОЦЕДУРА
Процесс зарядки Резистор 100 кОм; конденсатор 100 мкф 1. Соберите схему, показанную на рисунке 14-1. Соблюдайте полярность при подключении электролитического конденсатора.
Рис. 14-1. 2. Отрегулируйте источник питания на напряжение 12 В. 3. Рассчитайте величину напряжения, которое появится на конденсаторе в течение одной постоянной времени. Напряжение (Т) = ______ В 4. Рассчитайте постоянную времени, используя значения, показанные на рисунке 14-1. Запишите Ваш результат в колонку 3 на рисунке 14-2. Рассчитайте также значение времени, которое потребуется конденсатору, чтобы полностью зарядиться (5Т). Запишите Ваш результат в колонку 4 на рисунке 14-2.
Рис. 14-2. 5. Соедините измерительные выводы Вашего мультиметра, соблюдая полярность, с выводами конденсатора. Мультиметр должен показать 0 В. Если это не так, на обкладках конденсатора имеется некоторое остаточное напряжение. Удалите его, кратковременно закорачивая выводы конденсатора друг с другом в течение нескольких секунд. Снова выполните измерение напряжения Вашим мультиметром, чтобы убедиться, что напряжение конденсатора равно нулю. 6. Оставьте измерительные выводы мультиметра на выводах конденсатора, свободный конец резистора 100 кОм присоедините к выводу+ 12 В источника питания. В момент присоединения запустите Ваш секундомер или начните отсчет времени при помощи секундной стрелки Ваших часов. Когда напряжение на конденсаторе начнет расти, замечайте его величину. Когда напряжение на конденсаторе достигнет значения, которое Вы рассчитали в шаге 2, заметьте время по секундомеру или по секундной стрелке. Запишите это значение в качестве измеренной постоянной времени в колонку 5 рисунка 14-2. ПРИМЕЧАНИЕ: Повторите данный шаг несколько раз, чтобы убедиться в том, что Ваш отсчет времени относительно точен.
Ведь Вы пытаетесь наблюдать как за показаниями вольтметра, так и за секундомером, чтобы определить время, необходимое для достижения конкретного уровня напряжения. Это довольно мудреная операция, так что повторите ее несколько раз для большей точности измерений. ВНИМАНИЕ: если Вам потребуется повторять эксперимент, удаляйте резистор 10кОм и полностью разряжайте конденсатор 100 мкФ, прежде чем приступать к каждому дополнительному измерению. 7. Снова полностью разрядите конденсатор и снова подсоедините измерительные выводы. Коснитесь свободным выводом резистора 100 кОм к выводу +12 В источника питания. На этот раз измерьте время, которое потребуется конденсатору для полной зарядки до величины приложенного напряжения, которое Вы измерили в шаге 1. Как и прежде, начните отсчет времени по секундомеру или по секундной стрелке часов в том момент, когда Вы подаете напряжение на резистор. Запишите это измеренное время, которое требуется конденсатору для полной зарядки, в колонку 6 рисунка 14-2. Резистор 11 к0м; конденсатор 22 мкф 8. Повторите шаги с 4 по 7. используя конденсатор 22 мкф и резистор 100 к0м. Заполните поля в таблице на рисунке 14-2, как Вы это делали раньше. Вашими расчетными и измеренными значениями. Резистор 220 к0м; конденсатор 100 мкф 9. Снова повторите шаги с 4 по 7, но на этот раз используйте конденсатор 100 мкФ и резистор 220 к0м. Запишите Ваши расчетные и измеренные значения в таблицу на рисунке 14-2. Наблюдение 10. Рассматривая информацию на рисунке 14-2 и замечая различные значения времени, полученные при различных значениях сопротивления и емкости, сделайте Ваше собственное заключение относительно влияния значений сопротивления и емкости на постоянную времени. Процесс разрядки Резистор 100 к0м; конденсатор 100 мкф 11. Перекомпонуйте схему, чтобы она соответствовала схеме, показанной на рисунке 14-3. Соблюдайте полярность при подключении электролитического конденсатора. В данной части эксперимента Вы будете демонстрировать процесс разрядки конденсатора.
Чтобы сделать это, подключите резистор параллельно конденсатору.
Рис. 14-3. 12. Рассчитайте постоянную времени схемы и время, которое требуется для полной разрядки конденсатора, и запишите Ваши данные в колонку 3 на рисунке 14-4.
Рис. 14-4. 13. Далее определите величину напряжения, до которого разрядится конденсатор за одну постоянную времени. Используйте исходное напряжение источника питания, которое Вы измерили в шаге 1. Рассчитайте величину напряжения, которое будет присутствовать на Конденсаторе после его разрядки в течение одной постоянной времени. Напряжение (t) = _______ В Резистор 100 кОм; конденсатор 22 мкф 14. Подключите измерительные выводы Вашего мультиметра к конденсатору 22 мкф. В данное время напряжение должно равняться нулю, поскольку любой заряд на обкладках конденсатора был устранен в процессе разрядки конденсатора через резистор 1 МОм. Подключите схему к выводу+ 12 В источника питания. Конденсатор заряжается немедленно до напряжения источника питания; последовательно с конденсатором нет подключенного сопротивления. 15. Продолжайте фиксировать измерительные выводы мультиметра параллельно выводам конденсатора. Удалите соединительный провод с вывода+ 12 В источника питания. Одновременно с удалением провода начните отсчет времени по Вашему секундомеру или по секундной стрелке часов. Наблюдайте при этом за напряжением на выводах конденсатора. Когда напряжение достигнет нужного значения, заметьте время. Запишите постоянную времени в колонку 5 таблицы на рисунке 14-4. Как и раньше. Вы можете пожелать повторить шаги 13 и 14 несколько раз, чтобы улучшить точность измерений. Ведь, поскольку Вам приходится наблюдать одновременно за двумя значениями, измерение довольно хитроумно. Усредняя несколько показаний, Вы получите большую точность в измерении. Резистор 220 кОм; конденсатор 22 мкф 16. Снова повторите шаги с 12 по 15, но на этот раз используйте конденсатор 22 мкф и резистор 220 кОм. Снова рассчитайте значения времени разрядки для одной постоянной времени и для пяти постоянных времени.
Запишите все Ваши данные в таблицу на рисунке 14-4. Наблюдение 17. Рассматривая информацию на рисунке 14-4 и замечая различные значения времени, полученные при различных значениях сопротивления и емкости, сделайте Ваше заключение относительно зависимости между временем разрядки и значениями сопротивления и емкости. 18. На основании сравнения Ваших расчетных и измеренных значений объясните возможные несоответствия. ОБЗОРНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Требуется то же самое время для полной зарядки конденсатора, какое требуется и для полной его разрядки: а) высказывание истинно, б) высказывание ложно. . 2. До какого напряжения зарядится конденсатор 5 мкф через резистор 10кОм за одну постоянную времени при его подключении к источнику питания 6 В? а) 1, 4 В, б) 2, 5 В, в) 3, 8 В, г) 5 В. 3. Сколько времени потребуется конденсатору из вопроса 2, чтобы полностью разрядиться? а) 5 мс, б) 10 мс, в) 50 мс, г) 250 мс. 4. Конденсатору требуется 80 миллисекунд, чтобы полностью зарядиться. Поэтому постоянная времени равна: а) 8 мс, б) 16 мс, в) 40 мс, г) 80 мс. 5. При заданных значениях R (сопротивление) и С (емкость) емкость удваивается, а сопротивление уменьшается в два раза, при этом постоянная времени: а) остается прежней, б) удваивается, в) учетверяется, г) уменьшается в два раза.
ЭКСПЕРИМЕНТ Принцип суперпозиции
Цели
После проведения данного эксперимента Вы сможете анализировать схемы, используя принцип суперпозиции.
Необходимые принадлежности
* Цифровой мультиметр
* Макетная панель
* Два независимых регулируемых источника постоянного напряжения
* Резисторы — 1/4 Вт, 5%:
один резистор 1 кОм, один резистор 1, 5 кОм, один резистор 2, 2 кОм.
ВВОДНАЯ ЧАСТЬ
Принцип суперпозиции — это метод, используемый для анализа сложных схем при использовании двух или более источников питания. Хотя для таких схем могут быть использованы анализ цепей методом контурных токов и другие методы, принцип суперпозиции является более простым и ускоренным.
Для использования принципа суперпозиции при анализе выполняйте три шага:
1) замените все источники напряжения, за исключением одного, короткозамыкателем, а
затем рассчитайте все токи и падения напряжений;
2) замените оставшийся источник напряжения короткозамыкателем и снова сделайте расчет схемы после того, как вновь подключите один из других источников напряжения;
3) алгебраически сложите все токи из Ваших расчетов и подсчитайте все падения напряжения. Пример приводится на рисунке 12-1.
Рис. 12-1.
Примерные шаги
Шаг 1.
Требуется подсчитать напряжение на резисторе R2. Сначала источник V2, заменяется короткозамыкателем. Это приводит к параллельному соединению резисторов R2, и R3
Их эквивалентным сопротивлением является:
180 (330)/(180+ 330) = 59400/510 = 116, 5 Ом
Полное сопротивление составляет:
116, 5+ 750 = 866, 5 Ом
Общий ток, потребляемый от источника питания 12 В, имеет величину:
12/866, 5 = 0, 01385 А = 13, 85 мА
Падение напряжения на резисторе R составляет:
0, 01385 (750) = 10, 39 В
Напряжение на сопротивлениях R2 и R3 имеет величину:
12 - 10,39 = 1,61 В Ток, протекающий через R2 имеет величину:
1,61/330 = 0,0049 А = 4,88 мА Ток, протекающий через R имеет величину:
1,61/180 = 0,00894 А = 8,94 мА
Шаг 2.
Далее источник V1 заменяется короткозамыкателем. Это приводит к параллельному соединению резисторов R1 и R2. Эквивалентным сопротивлением резисторов R1 и R2 является:
750(330)/(750+330)=247500/1080=229,2 Ом
Полное сопротивление составляет:
229,2 + R3 = 229,2 + 180 = 409,2 Ом
Общий ток схемы имеет величину:
12/409,2 = 0,02933 А = 29,33 мА
Падение напряжения на резисторе R3 составляет:
0,02933(180) = 5,28 В
Напряжение на сопротивлениях R1 и R2 имеет величину:
12 - 5,28 = 6,72 В
Ток, протекающий через R1, имеет величину:
6,72/750 - 0,00896 А = 8,96 мА
Ток, протекающий через R2, имеет величину:
6,72/330 = 0,02036 А = 20,36 мА
ШагЗ.
Теперь полный ток через резистор R2 может быть найден сложением токов, которые Вы только что подсчитали.
Ток через резистор R2 вызванный напряжением V2 составляет 20,36 мА и протекает сверху вниз (поток электронов). Ток через резистор R2, вызванный напряжением V1, составляет 4,88 мА и протекает снизу вверху. Поскольку два тока противоположно направлены, то результирующим током в цепи является их разность. 20,36 - 4,88 = 15,48 мА Направление потока электронов такое же, как у тока большей величины (сверху вниз). Тогда напряжение на резисторе R2, имеет величину: 0,01548(330) = 5,1 В Это напряжение отрицательно по отношению к массе. Краткое содержание В данном эксперименте Вы будете использовать процедуру, приведенную ниже. ПРОЦЕДУРА 1. Обратитесь к схеме, представленной на рисунке 12-2. Используйте принцип суперпозиции для вычисления всех токов и падений напряжения в схеме. Покажите Вашу работу. Каково падение напряжения на резисторе R2, и какова его полярность? Vr2=______В
Рис. 12-2. 2. Составьте таблицу, в которой укажите все Ваши расчетные значения, которые относятся к одному только источнику V1, к одному только источнику V2 а также к подключенным одновременно источникам V1 и V2. 3. Соберите схему, показанную на рисунке 12-2. Для данного шага не подключайте V3. А вместо этого вставьте проволочный короткозамыкатель в то место, где показан источник питания V2. 4. Включите питание. Установите источник питания V1 на -15 В. Измерьте все токи через резисторы и соответствующие падения напряжения. Запишите полученные значения в Вашу таблицу. 5. Выключите питание. Отсоедините проволочный короткозамыкатель и на его место присоедините источник питания V2. Отсоедините источник питания V1, а на его место подключите проволочный короткозамыкатель. 6. Включите питание. Установите источник питания V на +10 В. Измерьте все токи через резисторы и соответствующие падения напряжения. Запишите полученные значения в Вашу таблицу. 7. Выключите питание. Отсоедините проволочный короткозамыкатель и на его место снова присоедините источник питания V1. 8. Включите снова питание. Теперь измерьте все токи и напряжения для данного случая, когда присоединены оба источника питания.Снова запишите полученные значения в Вашу таблицу. Каково напряжение на резисторе R2? Укажите также его полярность. Vr2=________В ОБЗОРНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Принцип суперпозиции обычно легче использовать, чем метод контурных токов или метод узловых потенциалов: а) высказывание истинно, б) высказывание ложно. 2. Принцип суперпозиции используется для анализа схем с одним источником напряжения: а) высказывание истинно, б) высказывание ложно. 3. Какова будет полярность падения напряжения на резисторе R, на рисунке 12-2, если изменить полярности обоих источников питания? а) отрицательная, б) положительная. 4. Падение напряжения на резисторе R рисунка 12-2 имеет величину: а) 2, 56 В, б) 7, 44 В, в) 12, 44 В, г) 25, 44 В. 5. Падение напряжения на резисторе R3, рисунка 12-2 имеет величину: а) 2, 56 В, б) 8, 44 В, в) 12, 44 В, г) 7, 44 В.
ЭКСПЕРИМЕНТ Проверка конденсаторов
Цели
После проведения данного эксперимента Вы сможете, используя мультиметр, проверять конденсаторы для выявления дефектных.
Необходимые принадлежности
* Цифровой мультиметр
* Элементы:
один электролитический конденсатор 100 мкФ, один бумажный или пленочный конденсатор 0,47 мкФ, один дисковый конденсатор 0,01 мкФ.
ВВОДНАЯ ЧАСТЬ
Часто появляется необходимость осуществлять проверку конденсаторов во время работ, связанных с поиском неисправностей, ремонтом или разработкой схем. Для данной цели имеются специальные испытательные приборы. У Вас же может не быть под рукой таких приборов, да и особой необходимости в них обычно нет. Для выполнения большинства основных испытаний конденсаторов Вы можете использовать мультиметр, аналоговый или цифровой. В этом эксперименте мы покажем, как использовать Ваш цифровой мультиметр для таких целей.
Выход конденсатора из строя
Имеется три основных пути выхода конденсатора из строя. Во-первых, конденсатор может иметь обрыв. Это означает, что один вывод или даже два вывода могут оторваться от обкладок конденсатора. Схема становится такой, как если бы не было абсолютно никакого электрического соединения.
Другой вид отказа конденсатора — когда он замыкается накоротко. При таком типе неисправности обкладки конденсатора касаются или замыкаются накоротко каким-то другим образом. Короткое замыкание — это соединение с очень незначительным сопротивлением, и эффект такой же, как если бы два вывода конденсатора были соединены непосредственно друг с другом.
Конденсатор может отказать также из-за образовавшейся утечки. Такая утечка происходит вследствие сопротивления, появившегося между обкладками конденсатора. Это проявляется в том, что кажется, будто конденсатор имеет некоторое сопротивление, подключенное к нему параллельно.
Короткие замыкания, обрывы и утечки могут определяться с помощью мультиметра (переключенного в режим измерения сопротивлений, то есть мультиметр при этом используется в качестве омметра).
Проверка конденсатора
Для проверки конденсатора.соедините его выводы параллельно с измерительными выводами мультиметра и измерьте сопротивление конденсатора.
Короткое замыкание конденсатора обнаруживается по очень низкому значению сопротивления. Обрыв обнаруживается по всякому отсутствию измерения со стороны мультиметра. Утечка обнаруживается по некоторому определенному значению сопротивления. Запомните также, что в том случае, когда мультиметр «видит» обрыв в схеме, он обычно индицирует единицу в самом левом разряде на жидкокристаллическом дисплее. О выполнении измерений Для выполнения измерений значений сопротивления мультиметр должен фактически приложить напряжение к внешнему компоненту. Для этой цели в мультиметре используется внутренний источник. Его напряжение прикладывается к внешнему элементу (резистору или конденсатору) через схемы омметра. Мультиметр, когда он используется для измерения сопротивлений, обращается в омметр. Омметр имеет очень высокое внутреннее сопротивление. Это значение сопротивления определяется пределом измерения, на который устанавливается мультиметр. Чем выше предел измерения сопротивлений, тем больше внутреннее сопротивление мультиметра. Краткое содержание Требуется некоторое конечное время для зарядки конденсатора; таким образом, при испытании конденсаторов с большими емкостями Вы заметите варьирование показаний мультиметра. Это происходит, когда конденсатор заряжается до внутреннего напряжения, обеспечиваемого мультиметром. Обычно такая индикация появляется при очень низком начальном значении сопротивления. Постепенно оно увеличивается, пока конденсатор полностью не зарядится, когда на индикации уже будет показание для незамкнутого контура. В настоящем эксперименте Вы продемонстрируете это явление в следующей процедуре. ПРОЦЕДУРА 1. Переключите Ваш мультиметр в режим измерения сопротивления постоянному току. Установите предел измерения 200 кОм. Конденсатор 100 мкф 2. Выберите конденсатор 100 мкф. Кратковременно соедините его выводы, чтобы снять любой заряд, который может остаться в конденсаторе. 3. Коснитесь измерительными выводами мультиметра к выводам конденсатора 100 мкф; красным выводом коснитесь к положительному контакту конденсатора, а черным выводом коснитесь к отрицательному контакту.
Обращайте внимание на эффект, который Вы можете наблюдать на жидкокристаллическом дисплее мультиметра. Удерживайте измерительные выводы на выводах конденсатора и следите за показаниями на дисплее, пока не увидите индикации, соответствующей незамкнутой цепи. (Помните: единица в левом разряде индикации.) 4. С учетом изменений в значениях сопротивления, которые Вы заметили во время измерения в шаге 3, объясните, что происходило. 5. Далее разрядите конденсатор, касаясь одним его выводом другого вывода в течение нескольких секунд. Затем установите переключатель диапазонов прибора на предел измерения 2 кОм. 6. Коснитесь измерительными выводами мультиметра к выводам конденсатора; красным выводом — к положительному контакту конденсатора, а черным выводом — к отрицательному контакту. Наблюдайте за эффектом на жидкокристаллическом дисплее мультиметра. 7. Объясните результаты, которые Вы получили в шаге 6, и сравните их с теми результатами, которые были получены Вами в шаге 4. Конденсатор 0, 47 мкф 8. Выберите конденсатор 0, 47 мкФ. Кратковременно коснитесь друг друга его выводами, чтобы разрядить конденсатор. 9. Установите переключатель диапазонов мультиметра на предел измерения 20МОм. Проверяйте конденсатор, прикоснувшись измерительными выводами мультиметра к выводам конденсатора, обращайте при этом внимание на эффект, который Вы можете наблюдать на жидкокристаллическом дисплее мультиметра. 10. Разрядите конденсатор, касаясь одним его выводом другого вывода в течение нескольких секунд. Затем установите переключатель диапазонов прибора на предел измерения 2 МОм. Затем снова проверьте конденсатор, касаясь измерительными выводами мультиметра выводов конденсатора. Наблюдайте за эффектом на жидкокристаллическом дисплее мультиметра. Конденсатор 0, 01 мкф 11. Выберите конденсатор 0, 01 мкФ. Кратковременно коснитесь друг друга его выводами, чтобы разрядить конденсатор. 12. Установите переключатель диапазонов мультиметра на предел измерения 2 МОм. Коснитесь измерительными выводами мультиметра к выводам конденсатора и заметьте индикацию мультиметра. ПРИМЕЧАНИЕ: присоединяя измерительные выводы мультиметра к выводам конденсатора, избегайте контакта с Вашими пальцами. 13.
Теперь разрядите конденсатор, касаясь одним его выводом другого вывода в течение нескольких секунд. На этот раз присоединяйте измерительные выводы мультиметра к выводам конденсатора, удерживая места соединений Вашими пальцами. Используйте большой и указательный палец каждой руки для прижимания соответствующего измерительного вывода к выводу конденсатора. Наблюдайте за эффектом на жидкокристаллическом дисплее мультиметра. 14. Объясните результаты, которые Вы получили в предыдущих двух шагах. ОБЗОРНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Когда мультиметр переключается в режим омметра, что Вы тестируете? а) напряжение, б) ток, в) сопротивление. 2. Когда мультиметр измеряет незамкнутый контур, на жидкокристаллическом дисплее должно считываться: а) 0, б) 1, и) очень большое значение, г) очень маленькое значение. 3. При проверке конденсатора при помощи мультиметра получено показание 275 кОм. Это означает, что конденсатор: а) хороший, б) имеет обрыв, в) закорочен, г) имеет утечку. 4. Конденсатор не показывает зарядной индикации на мультиметре. Что может иметь место в подобном случае? а) конденсатор может иметь очень маленькую величину, б) используется низкий предел измерения сопротивления, в) конденсатор может иметь обрыв, г) все указанное выше, д) ни одно из указанных выше. 5. Если Вы будете касаться пальцами выводов резистора, конденсатора или измерительных выводов мультиметра, измерения могут оказаться неправильными: а) высказывание истинно, б) высказывание ложно.
ЭКСПЕРИМЕНТ Теорема Тевенина-Гельмгольца
Цели
После проведения данного эксперимента Вы сможете продемонстрировать и проверить теорему Тевенина-Гельмгольца и использовать ее для анализа схем.
Необходимые принадлежности
* Цифровой мультиметр
* Макетная панель
* Источник постоянного напряжения
* Резисторы — 1/4 Вт, 5%:
один резистор 470 Ом, один резистор 1 кОм, один резистор 2, 2 кОм, один резистор 3, 3 кОм.
ВВОДНАЯ ЧАСТЬ
Теорема Тевенина-Гельмгольца в значительной степени облегчает анализ и разработку электронных схем. Эта теорема позволяет Вам заменить сложную схему, включенную между источником питания и нагрузкой, единственным последовательно включенным резистором. Для примера, предположим, что Вы желаете проанализировать работу схемы, представленной на рисунке 11-1.
Постановка задачи
Конкретно Вы желаете узнать нагрузку или выходное напряжение для различных значений сопротивления нагрузки RL. Всякий раз, когда Вы изменяете RL, Вам надо найти полное сопротивление и общий ток, токи в ветвях и падения напряжения. Этот процесс несложен, но утомителен и требует затрат времени.
Рис. 11-1.
Рис. 11-2.
Решение
Используя теорему Тевенина-Гельмгольца, можно заменить всю сложную схему, включенную между источником питания и нагрузкой, единственным последовательно включенным резистором с сопротивлением, которое называется эквивалентным сопротивлением Тевенина, R . Источник питания заменяется источником питания с другим напряжением, величина которого называется эквивалентным напряжением Тевенина, Vтн (см. рис. 11-2).
В своей совокупности эквивалентное напряжение Тевенина и эквивалентное сопротивление Тевенина формируют напряжение на любой нагрузке и ток в ней с теми же значениями, которые формируются и оригинальной схемой. В результате схемный анализ становится значительно более простым, поскольку весь расчет теперь сводится к расчету простой последовательной схемы.
Шаги
Самый легкий способ для определения эквивалентов Тевенина — это их измерение в конкретной схеме. Чтобы сделать это для рисунка ll-l, удалите нагрузку и, при наличии приложенного
напряжения источника питания, измерьте напряжение между точками включения нагрузки А и В.
В результате Вы получаете эквивалентное напряжение Тевенина Vтн. Далее, при все еще удаленной нагрузке, отсоедините напряжение источника питания и замените его короткозамыкателем (перемычкой). Затем измерьте сопротивление между точками включения нагрузки А и В. В результате Вы получаете эквивалентное сопротивление Тевенина R После этого Вы можете фактически собрать эквивалентную схему Тевенина с варьируемым источником питания, настроенным на величину напряжения Vтн, и выбрать стандартный резистор с сопротивлением ближайшим к Rтн. Теперь Вы можете подключать различные нагрузки и смотреть, как они работают. Схемные значения Другим методом является нахождение величин Vтн и Rтн. Ha основании схемных значений. Сначала удалите резистор нагрузки RL и рассчитайте, напряжение, которое появляется на контактах А и В. Для схемы, представленной на рисунке ll-l, при удалении RL, резисторы R4, R5 и R6 остаются открытыми. Как результат, приложенное к резисторам R2, и R3 напряжение появляется между контактами А и В. Vтн = Vав = 12 (R2 + R3)/(R1 + R2 + R3) Vтн=Vав = 12 (8,9/10,1) = 12(0,881) = 10,6 В Далее рассчитывается Rтн. При удаленном R источник питания 12 В заменяется короткозамыкателем. Вычисляется сопротивление между точками А и В.
R4 последовательно с соединенными параллельно резисторами R5 и R6 1,8 кОм + 0,47 кОм = 2,27 кОм Эквивалентное сопротивление между точками А и В: Rтн = 2,27 кОм + 1,06 кОм = 3,33 кОм Эквивалентом Тевенина является источник постоянного напряжения 10,6 В, соединенный последовательно с сопротивлением 3,33 кОм. Теперь при подключении к этой цепи резистора R, получается полное сопротивление: 910 + 3330 = 4240 Ом Полный ток, протекающий через схему, имеет величину: 10,6 / 4240 = 0,0025 А = 2,5 мА А падение напряжения на RL равно: 10,6[910/(910 + 3330)] = 10,6(910/4240) = 2,28 В Краткое содержание В данном эксперименте Вы будете использовать процедуру, приведенную ниже. ПРОЦЕДУРА 1. Обратитесь к схеме, представленной на рисунке 11-3. Используя показанные значения, выполните расчет эквивалентного напряжения и эквивалентного сопротивления Тевенина в точках А и В.
Вычислите выходное напряжение для сопротивления нагрузки 3,3 кОм. Vтн = ____ В Rтн = ______ Ом VL=____В
Рис. 11-3. 2. Соберите схему, показанную на рисунке ll-З. Включите питание и измерьте эквивалентное выходное напряжение Тевенина на контактах А и В без нагрузки. Vтн (измеренное) = ______ В 3. Включите нагрузку 3,3 кОм между точками А и В. Измерьте теперь выходное напряжение. Как оно сравнивается с Вашим расчетным значением? VL (измеренное) = ____ В 4. Выключите питание. Отсоедините источник питания. На его место включите проволочный короткозамыкатель. Отсоедините также нагрузку от контактов А и В. Затем мультиметром измерьте эквивалентное сопротивление Тевенина на контактах А и В. Rтн (измеренное) = ____ Ом 5. Нарисуйте эквивалентную схему Тевенина и укажите на ней значения. После этого соберите эту схему, используя источник питания и 'резистор. Используйте такой стандартный резистор, сопротивление которого ближе всего к эквивалентному. 6. Включите питание и измерьте выходное напряжение Тевенина. Отрегулируйте напряжение источника питания, чтобы получить значение, которое Вы рассчитали в шаге 1. 7. Подключите нагрузку 3,3 кОм к эквивалентной схеме и измерьте выходное напряжение. Оно такое же, как и то, которое Вы получили в шаге 3? Объясните. ОБЗОРНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Почему на рисунке 11-1 при удаленном резисторе RL, комбинация резисторов R4-R5-R6 не влияет на выходное напряжение? а) фактически она влияет на выходное напряжение, б) в них не протекает ток или на них нет падения напряжения, в) сопротивление этой комбинации намного меньше, чем сопротивление RL, поэтому нет влияния на выход. 2. Какое значение сопротивления нагрузки создаст максимальную мощность в нагрузке? а) 910 Ом, б) 1,06 кОм, в) 3,33 кОм, г) 10,6 кОм. 3. Для вычисления Vтн, резистор RL: а) удаляется или его контакт размыкается, б) закорачивается. 4. Для вычисления Rтн,источник питания: а) отключается одним выводом, б) закорачивается. 5. Теорема Тевенина используется как для схем переменного тока, так и для схем постоянного тока: а) высказывание истинно, б) высказывание ложно.
ЭКСПЕРИМЕНТ Терморезисторы
Цели
После проведения данного эксперимента Вы сможете оценивать функционирование схем, содержащих терморезисторы (термисторы).
Необходимые принадлежности
* Цифровой мультиметр
* Макетная панель
* Источник постоянного напряжения
* Паяльник
* Элементы:
один терморезистор 1 кОм с отрицательным температурным коэффициентом, один резистор — 1/4 Вт, 5%, 1 кОм.
ВВОДНАЯ ЧАСТЬ
Все электрические проводники чувствительны к изменениям температуры. Обычная медная проволока имеет положительный температурный коэффициент; когда она нагревается, ее сопротивление увеличивается. Тем не менее, относительный рост сопротивления очень мал. В большинстве случаев избыток тепла не оказывает значительного влияния на сопротивление.
С другой стороны, имеются типы резисторов, сопротивление которых претерпевает большие изменения при относительно небольших температурных
колебаниях. Такие устройства находят применение.
Прочие типы резисторов
Терморезистор с отрицательным температурным коэффициентом
Специальный резистор, разработанный для больших изменений сопротивления в зависимости от температурных флуктуаций, известен как терморезистор или термистор. Термисторы обычно имеют отрицательный температурный коэффициент (NTC). Это означает, что когда температура терморезистора возрастает, сопротивление его падает, и наоборот. Даже при незначительном изменении температуры происходит значительное изменение сопротивления.
Подобные чувствительные элементы используются для создания различных элементов — от электронных термометров до детекторов — в тех или иных промышленных системах управления, в которых должен осуществляться текущий контроль (мониторинг) и/или управление температурой.
Терморезистор с положительным температурным коэффициентом
Имеются также термисторы с положительным температурным коэффициентом (РТС). Эти устройства увеличивают свое сопротивление при возрастании температуры. При этом их сопротивление изменяется более резко и круто, чем у терморезисторов с отрицательным температурным коэффициентом.
Хорошим примером терморезистора с положительным температурным коэффициентом является нить лампы накаливания.
Когда лампа накаливания выключена, нить накала имеет очень низкое значение сопротивления. Однако когда через лампу протекает ток, нить сильно накаляется и быстро нагревается до температуры белого каления. Это значительно увеличивает сопротивление нити. Например, стандартная лампа накаливания 100 Вт имеет в холодном состоянии сопротивление приблизительно 100 м. Когда же на лампу подается напряжение 120 В, нить нагревается с увеличением сопротивления до 1440м, то есть, отмечается рост сопротивления в 14, 4 раза. Характеристики лампы накаливания могут использоваться для целей регулирования в некоторых типах электрических и электронных схем. Сверхпроводимость Имеется исключительный случай вариации сопротивления с изменением температуры. А именно, когда температура понижается до очень низкого уровня, сопротивление падает до нуля. Некоторые материалы фактически теряют свое сопротивление, когда их температура понижается до значений, несколько больших абсолютного нуля (-273°С). Это явление известно как сверхпроводимость. Продолжающиеся исследования обнаруживают новые материалы, сопротивление которых устраняется даже при более высоких температурах, что делает их более пригодными для применения на практике. Краткое содержание В данном эксперименте Вы поработаете с терморезистором, чтобы разобраться в его термочувствительных характеристиках. ПРОЦЕДУРА 1. Приготовьте две чашки или два стакана воды. Вы будете использовать их для изменений температуры терморезистора. Один стакан наполните очень горячей водой из-под крана. Другой стакан наполните холодной водой и добавьте в нее кубики льда. 2. Рассмотрите терморезистор. Как Вы можете видеть, это круглый диск из специального резистивного материала. Терморезистор имеет диаметр 1/4 дюйма, а к каждой стороне терморезистора припаяны проволочные выводы. Сначала возьмите терморезистор и измерьте его сопротивление при комнатной температуре при помощи Вашего мультиметра. R = _ Ом (при комнатной температуре) 3. Закрепите измерительные выводы мультиметра на выводах терморезистора и погрузите корпус терморезистора в горячую воду.
Подождите примерно 10 секунд и заметьте сопротивление. R = _____ Ом (в горячей воде) 4. Извлеките терморезистор из горячей воды и сразу же поместите его в стакан с холодной водой. Снова заметьте сопротивление через 10 секунд. R = _____ Ом (в холодной воде) 5. Основываясь на результатах, полученных в двух предыдущих шагах, запишите словами, как изменяется сопротивление в зависимости от изменений температуры. 6. Соберите схему, показанную на рисунке 9-1. Заметьте, что терморезистор подключается вместе с резистором 1 кОм как часть делителя напряжения к источнику питания 9 В. Заметьте, что
Рис. 9-1. выходное напряжение снимается с выводов термистора. Измерьте теперь выходное напряжение при комнатной температуре. Vo = __ В (при комнатной температуре) 7. Нагрейте паяльник и поднесите его приблизительно на расстояние 1/4 дюйма от терморезистора. Дайте ему нагревать терморезистор, а в это время следите за изменением напряжения на терморезисторе. Через 10 секунд запишите значение измеренного напряжения. Vo = __ В (в нагретом состоянии) Дайте затем терморезистору охладиться, прежде чем Вы перейдете к шагу 8. 8. Модифицируйте схему эксперимента так, чтобы она выглядела подобно схеме, показанной на рисунке 9-2. Снова Вы используете терморезистор как часть делителя напряжения. Однако в данной схеме выходное напряжение снимается с резистора 1 кОм, а не с терморезистора.
Рис. 9. 2. Измерьте и запишите выходное напряжение, снимаемое с резистора 1 кОм, при комнатной температуре. Vo = __ В (при комнатной температуре) 9. Снова нагрейте паяльник и поднесите его приблизительно на расстояние 1/4 дюйма от терморезистора. Дайте ему нагревать терморезистор, а Вы в это время следите за изменением напряжения на резисторе 1 кОм в течение приблизительно 10 секунд и замечайте, как изменяется напряжение. В конце 10-секундного периода запишите значение измеренного напряжения. Vo = __ В (в нагретом состоянии) 10. Как выходное напряжение варьируется в зависимости от температуры в каждой из схем? ОБЗОРНЫЕ ВОПРОСЫ 1.
Положительный температурный коэффициент означает: а) когда температура уменьшается, уменьшается сопротивление; б) когда температура увеличивается, увеличивается сопротивление; в) когда температура уменьшается, сопротивление увеличивается; г) когда температура варьируется, сопротивление изменяется. 2. В лампе накаливания сопротивление нити в горячем состоянии ниже, чем сопротивление нити в холодном состоянии: а) высказывание верно, б) высказывание неверно. 3. Полная потеря сопротивления при очень низких температурах известна как: а) сверхсопротивление, б) экстремальный температурный коэффициент, в) сверхпроводимость, г) холодное сопротивление. 4. Чтобы преобразовать изменение сопротивления терморезистора в вариацию напряжения, в какой тип схемы должен быть подключен терморезистор? а) усилитель, б) счетчик, в) фильтр, г) делитель напряжения. 5. Терморезисторы иногда используются в мостовых схемах: а) высказывание верно, б) высказывание неверно.
ЭКСПЕРИМЕНТ Закон Ома
Цели
После проведения данного эксперимента Вы сможете рассчитывать и измерять ток, напряжение и сопротивление в электрической схеме для проверки закона Ома.
Необходимые принадлежности
* Цифровой мультиметр
* Макетная панель
* Источник постоянного напряжения
* Резисторы — 1/4 Вт, 5%:
один резистор 470 Ом, один резистор 680 Ом, один резистор 2, 2 кОм, один резистор 4, 7 кОм.
ВВОДНАЯ ЧАСТЬ
По-видимому, наиболее важным основным принципом в электротехнике является закон Ома. Этот закон отражает связь, которая существует между током, напряжением и сопротивлением в электрической или электронной цепи. Источник напряжения подключается к сопротивлению, что вызывает протекание через него тока. Величина тока определяется величиной приложенного напряжения и величиной сопротивления. Закон Ома утверждает, что на участке цепи ток прямо пропорционален напряжению и обратно пропорционален сопротивлению. Эта связь выражается простой формулой:
I=V/R
В данном выражении: I — ток в амперах, V — напряжение в вольтах, R — сопротивление в омах. Значение тока можно быстро вычислить использовании калькулятора. Например, какой величины ток протекает через резистор 2, 2 кОм, подключенный к источнику напряжения 6В? Ответ таков:
I = 6 В/2, 2 кОм = 6/2200 = 0, 00273 А
Это значение может быть выражено также в миллиамперах, то есть, 2, 73 мА.
Как Вы знаете, основная формула закона Ома может быть преобразована алгебраически, так что Вы сможете определять или напряжение, или сопротивление. Этими другими формулами являются:
V=IxR
R =V/I
В. Вашей работе с электроникой Вам регулярно придется использовать закон Ома; Даже в самых сложных схемах Вы будете применять это соотношение. Важно, чтобы Вы могли проделывать такие расчеты при любых условиях.
Вычисления в соответствии с законом Ома
Для выполнения расчетов в соответствии с законом Ома Вы должны знать две величины из трех. Величины тока, напряжения и сопротивления
могут быть получены различными способами. Величины сопротивлении резисторов могут определяться по их цветовому коду или фактическим измерением сопротивления резистора.
Ток обычно определяется путем измерения. Величину напряжения часто бывает легко определить, поскольку напряжение подается от источника питания, выходное напряжение которого фиксированно и известно. Например, если используется батарейка для карманного фонаря, то Вы знаете, что ее напряжение составляет 1, 5 В. Все батареи элементов имеют стандартные значения выходных напряжений, как и многие источники питания. Если напряжение неизвестно, оно может быть, тем не менее, измерено. Краткое содержание В данном эксперименте Вы будете собирать некоторые простые электрические схемы и выполнять электрические измерения, в результате чего Вы сможете проводить расчеты в соответствии с законом Ома. Для конкретной схемы Вы научитесь делать расчет необходимых величин. Затем Вы будете конструировать различные схемы и контролировать их величины путем измерении. ПРОЦЕДУРА 1. Обратитесь к схеме на рисунке 3-1. При известных значениях напряжения и сопротивления рассчитайте величину протекающего в схеме тока. Запишите Ваше полученное значение в предусмотренное поле. I = ______мА (вычисленное значение)
Рис. 3-1. 2. Соберите схему, показанную на рисунке 3-1. Используйте источник питания постоянного тока, настроенный таким образом, чтобы его выходное напряжение составляло 9 В. Для измерения тока в данной схеме Вы будете использовать мультиметр. Установите предел измерения мультиметра на соответствующее значение, которое основано на Ваших расчетах в шаге 1. Вставьте красный испытательный вывод в гнездо А мультиметра. 3. После того, как Вы собрали схему, коснитесь черным пробником к отрицательному контакту батареи или источника питания, а красным пробником прикоснитесь к неприсоединенному выводу резистора. Прочитайте показание величины тока на мультиметре. Запишите полученное значение. I = ________мА (измеренное значение) 4. Сравните Ваше расчетное и измеренное значения. Объясните причину различий, если таковые имеются. 5. Удвойте напряжение питания, указанное на рисунке 3-1. Какое теперь новое напряжение питания схемы? Напряжение питания = ______ вольт 6.
Используя величину нового напряжения питания и прежнее сопротивление резистора, рассчитайте величину нового тока. / = ______мА (вычисленное значение) 7. Измерьте новый ток, подсоединяя испытательные выводы мультиметра к схеме, как описано ранее. I =______мА (измеренное значение) 8. Сравните величины токов в шагах 1 и 6 и в шагах 3 и 7. Как изменилась величина тока, когда изменилось напряжение питания? Согласуется ли такое изменение с законом Ома? Объясните. 9. Демонтируйте схему, показанную на рисунке 3-1, и соберите схему, показанную на рисунке 3-2.
Рис. 3-2. 10. Измерьте величину тока, протекающего в схеме, используя процедуру, описанную ранее. Запишите полученное значение. I= ________мА (измеренное значение) 1. Используя значение измеренного Вами тока, рассчитайте величину сопротивления резистора, применяя для этого закон Ома. Запишите величину сопротивления. R = ______Ом (вычисленное значение) 12. Теперь по цветовому коду резистора определите его сопротивление и запишите найденное значение. R = _________Ом (определенное по цветовому коду) 13. Сравните значение сопротивления, вычисленное с использованием величины измеренного тока, с величиной сопротивления, определенной по цветовому коду. Объясните любой отличие. 14. Измените величину сопротивления резистора на 2, 2 кОм в схеме на рисунке 3-2. 15. Рассчитайте величину ожидаемого тока. Запишите значение. I =_______мА (вычисленное значение) 16. Измерьте величину тока, используя процедуру, которая использовалась Вами в предыдущих шагах. I =_______мА (измеренное значение) 17. Сравните ток, который Вы измерили в шаге 16, с током, измеренным Вами в шаге 10. Как изменился ток после изменения величины сопротивления резистора? Соответствуют л и полученные Вами результаты закону Ома? Объясните. 18. Используйте источник питания постоянного тока с варьируемым напряжением, который Вы применяли в схеме на рисунке 3-2, и резистор 2, 2 кОм. Изменяйте напряжение от 0 до 12 В шагами (дискретами) по 2 В. Измеряйте ток при каждом установленном напряжении. 19.
Повторите шаг 18, используя резистор 4700м. Используя данные в шагах 18 и 19, построите графики тока в зависимости от напряжения на миллиметровой бумаге. ОБЗОРНЫЕ ВОПРОСЫ 1. К резистору 39 кОм был подключен источник питания с неизвестным напряжением. Вы измерили ток и получили величину 0, 31 мА. Приложенное напряжение должно быть порядка: а) 12 В, б) 28 В, в) 57 В, г) 126 В. 2. Уменьшение напряжения, приложенного к резистору, приводит к: а) увеличению тока, б) уменьшению тока, в) сохранению той же величины тока, г) падению величины тока до нуля. 3. Уменьшение сопротивления резистора, соединенного с источником питания, приводит к: а) увеличению тока, б) уменьшению тока, в) сохранению той же величины тока, г) падению величины тока до нуля. 4. Смотрите Ваш график, полученный в шаге 19. Скорость изменения тока по отношению к изменению напряжения: а) больше при меньшей величине резистора, б) больше при большей величине резистора, в) меньше при меньшей величине резистора, г) та же при любой величине резистора. 5. Для измерения тока при помощи мультиметра как он должен быть подключен к схеме? а) встречно, б) параллельно, в) последовательно, г) с изменением полярности испытательных выводов.
Ознакомление с мультиметром
Цветовой код резисторов Закон Ома Последовательные схемы Параллельные схемы Комбинация последовательных и параллельных схем Делители напряжения Мостовые схемы Терморезисторы Мощность в резистивных цепях Теорема Тевенина-Гельмгольца Принцип суперпозиции Катушки индуктивности и постоянный ток Постоянная времени RC-цепи Проверка конденсаторов
Проведение экспериментов
Для отработки экспериментов, представленных в данном руководстве, Вам потребуются электронные компоненты для конструирования схем, определенная методика соединения компонентов между собой, а также контрольные электронные приборы для осуществления, Ваших измерений. Ниже приводится краткое описание всего необходимого для экспериментов.
Компоненты
Резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности и другие детали, требуемые для экспериментов, доступны для Вас в учебной лаборатории. Список деталей и аппаратуры, которые Вам потребуются, представлен в разделе «Необходимые принадлежности» каждого приведенного эксперимента. Указанный список подкрепляется принципиальными схемами экспериментальных цепей, конкретно отражающими потребность в деталях.
Система макетирования
Вам потребуется некоторый способ, чтобы выполнять соединения компонентов между собой. Это обычно осуществляется при помощи системы макетирования. Эта часть оборудования часто называется также тренером или макетирующим устройством. Основной отличительной чертой системы является макетная панель, которая
представляет собой набор металлических соединительных элементов в корпусе из пластика и обеспечивает быстрый, легкий и удобный способ соединения электронных деталей и проводов без всякой пайки. Контактные выводы компонентов вставляются в не требующие пайки соединительные элементы. Ваш инструктор даст Вам пояснения по поводу макетной системы, используемой Вашей школой.
Контрольное оборудование
Для выполнения экспериментов Вам потребуется также определенное контрольное оборудование. Основными элементами такого оборудования являются:
* Цифровой мультиметр (универсальный измерительный прибор)
* Осциллограф
* Генератор функции
* Источник питания
Упомянутые устройства описываются ниже.
Цифровой мультиметр. Цифровой мультиметр является прибором, используемым для измерения напряжений, сопротивлений и токов. Мультиметр подключается к схеме при помощи двух испытательных выводов и выводит измеренное значение на семисегментное цифровое устройство индикации — жидкокристаллическое или на светоизлучающих диодах.
Может использоваться и аналоговый мультиметр, который называется также вольтомметром, имеющий шкалу с указателем, хотя точность показании такого прибора хуже, чем у цифрового мультиметра.
Осциллограф.
В осциллографе используется электронно-лучевая трубка для визуализации сигналов переменного тока. Предпочтительным является осциллограф с двумя входными каналами, позволяющий отображать одновременно два сигнала. Осциллограф дает возможность измерять напряжение, период, частоту и фазовый сдвиг. Генератор функций. Генератор функций называется также генератором сигналов или генератором гармонических сигналов/звуковым генератором. Он генерирует напряжение синусоидальной формы переменной амплитуды и частоты. Он служит в качестве источника сигналов переменного напряжения для всех экспериментов с переменным током. Генератор функций формирует также сигналы прямоугольной и треугольной формы. Источник питания. Источник питания может формировать изменяемое постоянное напряжение для питания схем в экспериментах. Большинство лабораторных источников питания позволяют осуществлять плавную регулировку выходного постоянного напряжения от 0 до 15—30 вольт. Многие источники питания содержат также встроенные вольтметры. Предпочтительны источники питания с двумя выходами, поскольку в некоторых экспериментах требуются источники двух независимо регулируемых постоянных напряжений для питания схем.
Электричество - Друг и Враг
Электричество является не только источником благ, но и основой для многочисленных забот по его рациональному и безопасному использованию. Ответом на эти общие вопросы и посвящена настоящая глава.
Каков порядок допуска в эксплуатацию производственных потребителей?
Сложившаяся монополия государственных энергосистем определяет единство требований к порядку допуска в эксплуатацию потребителей. Основным правовым документом, регулирующим взаимоотношения энергоснабжающей организации и потребителя (абонента), является договор. В договоре указываются количество, сроки и качество подлежащей отпуску электроэнергии; категория потребителей; порядок определения цены отпускаемой электроэнергии; способ и условия контроля потребления электроэнергии с указанием приборов, по которым он будет производиться; формы расчета; обязательство обеспечить установленный договором режим потребления; обязательство потребителя допускать представителей электроснабжающей организации и органов Государственного энергонадзора для проверки технических средств коммерческого учета электроэнергии, состояния электрооборудования и электроустановок потребителей. Договоры на снабжение электроэнергией заключаются в письменной форме по инициативе абонента не позднее чем за три месяца до начала потребления. Договор не реже чем через каждые три года подлежит обновлению и корректировке. При сдаче собственности в аренду потребитель письменно сообщает энергоснабжающей организации наименование арендатора, характер деятельности и сроки аренды, заключает договор о взаимоотношениях с организацией-арендатором и продолжает расчеты за потребленную электроэнергию с электроснабжающей организацией по установленным тарифам.
Обязательным условием заключения договора на снабжение электроэнергией является наличие у потребителя: технических условий на присоединение к электрическим сетям энергоснабжающей организации; акта границ балансовой принадлежности и ответственности сторон; установленных и готовых к эксплуатации технических средств учета потребления электроэнергии; согласованной с энергоснабжающей организацией годовой потребности в электроэнергии и мощности, подтвержденной соответствующими документами.
Подача напряжения на новые электроустановки производится при наличии акта допуска их в эксплуатацию, заключения органа Госэнергонадзора о соответствии объекта утвержденной проектно-сметной документации после заключения договора на пользование электроэнергией, проверки и установки приборов учета и при наличии наряда Энергонадзора на включение электроустановки.
До пуска электроустановок в эксплуатацию они должны пройти приемосдаточные испытания и быть приняты потребителем от монтажной или пусконаладочной организации по акту в соответствии с действующими правилами.
Электроустановки с сезонным характером работы (дома, зоны отдыха и т. п.) должны ежегодно перед включением предъявляться для осмотра инспектору Госэнергонадзора. В договоре между абонентом и энергоснабжающей организацией указываются данные о присоединенных к сети абонента субабонентах (наименование, мощность, электропотребление, расчетные счетчики, тарифы и т. д.). Абоненты рассчитываются за электрическую энергию, потребленную ими и субабонентами, по тарифам, установленным для соответствующих групп потребителей, к которым они относятся (жилой сектор, электроплиты, производственные потребители и т. д.). Kак и кого получить разрешение на подключение жилого дома? После завершения монтажа электроустановок потребитель (владелец дома) должен подготовить документацию: • согласованный проект электроснабжения (или подробную схему); • протокол измерения сопротивления тока заземляющего устройства и повторного заземления; • протокол проверки цепи между заземлителями и заземляющими элементами токоприемников; • акт на скрытые работы по монтажу кабелей проводок и заземляющих устройств; • технические паспорта на силовое электрооборудование и приборы учета с отметкой торгового предприятия или справку о приобретении; • технические условия и справку владельца электрических сетей, ведавших технические условия, об их выполнении. При наличии указанной документации потребитель подает заявление на отпуск электроэнергии и вызов представителя предприятия Энергонадзор. Представитель должен: • осмотреть выполненный монтаж электроустановок на соответствие проекту и Правилам устройства электроустановок; • проверить соответствие результатов проведенных испытаний нормам; • провести инструктаж владельца электроустановок по основным мерам безопасности при эксплуатации, о чем делается соответствующая запись в заявлении-обязательстве владельца. Право пользования электроэнергией потребителю предоставляется после допуска электроустановок к эксплуатации и выдачи абонентской книжки или абонентской карточки.
Присоединение электроустановок к электросети производится персоналом предприятия, выдавшего технические условия, по наряду предприятия Энергонадзор. Что делать если вы хотите использовать электрическую энергию для нагрева? Для получения разрешения на применение электроэнергии для нагрева потребитель представляет материалы, обосновывающие целесообразность данного решения: технико-экономическое обоснование выбора электронагрева; перечень видов электротермической технологии; перечень электронагревательных устройств, предполагаемых к установке, с указанием их паспортных данных; перечень мероприятий по снижению потребляемой мощности в часы максимума нагрузки энергосистемы; перечень приборов и устройств, контролирующих включение нагрузки. К технологическим процессам с использованием в тепловых процессах электрической энергии относят местный обогрев животных и птицы (коврики, брудеры, электрообогреваемые полы и т. п.): нагрев воды и получение пара для запаривания кормов, пропаривания молочной посуды, промывки молокопроводов, пастеризации молока: подогрев воды для поения скота; поддержание необходимого температурного режима в хранилищах фруктов, овощей и семенного зерна. При применении электроводонагревателей мощностью более 10 кВт они должны быть оборудованы аккумуляторами нагретой воды. Применение электронагревательных устройств для целей отопления и горячего водоснабжения в организациях, в помещении контор, клубов и т. д., где имеются источники центрального или местного теплоснабжения, а также в помещениях гаражей для личного автотранспорта запрещается. Надо ли получать разрешение на установку стационарных электроплит и каков его порядок ? Не требуется разрешение на установку стационарных плит для приготовления пищи: - при установке бытовых кухонных плит в жилых домах высотой 9 и более этажей независимо от места их строительства и ведомственной принадлежности; - при установке бытовых кухонных электроплит и электротитанов в общежитиях независимо от этажности; - при установке электротермического оборудования в детских яслях-садах, общеобразовательных школах, школах-интернатах, техникумах, институтах, профтехучилищах, больницах и поликлиниках, в буфетах и кафе театров и кинотеатров. Во всех прочих случаях разрешение должно быть выдано в соответствии с общими правилами получения разрешений на подключение электроэнергии для нагрева. Как организуется учет электроэнергии? Для коммерческого учета используют только технические средства, включенные в реестр Госстандарта.
При питании от одного источника электроснабжения нескольких потребителей различных тарификационных групп приборы учета должны быть установлены для каждой тарификационной группы. Это требование касается как абонентов, так и субабонентов. В жилых домах расчетные электросчетчики устанавливают на каждую квартиру (абонента), а также для учета электроэнергии, расходуемой для общедомовых нужд (освещение подъездов, работа лифтов и т. п.). Технические средства коммерческого учета (электросчетчики, сумматоры и т. п.) после согласования проекта с электроснабжающей организацией приобретаются и устанавливаются потребителями (абонентами) или организациями-застройщиками. Техническое обслуживание данных средств учета производит энергоснабжающая организация, она же проводит проверку и плановую их замену. Технические средства коммерческого учета должны иметь на креплении кожухов пломбы Госстандарта, а также пломбы энергоснабжающей организации на крышках других средств, защищающих схемы учета от вмешательства извне. При применении электрической энергии для нагрева должны предусматриваться электрические счетчики для расчета за потребленную электроэнергию по двум зонам суток (дневной, ночной). Данные приборы приобретаются, устанавливаются и эксплуатируются потребителем. Планируемые к установке приборы учета и устройства управления должны быть согласованы с электроснабжающей организацией на стадии проектирования. При электроснабжении индивидуальных жилых домов и строений число и тип счетчиков определяются проектом и зависят от вида тарифа на потребляемую электроэнергию. Проект обязательно должен быть согласован с энергоснабжающей организацией и предприятиями Энергонадзора. Перед трехфазным счетчиком обязательно устанавливают отключающий аппарат (рубильник, автоматический или пакетный выключатель и т. п.). Счетчики должны быть непосредственного включения и иметь пломбу с клеймом госповерителя давностью на момент установки не более: трехфазные — 12 месяцев; однофазные — 2 года. Приборы учета, отключающие аппараты и при необходимости другие устройства должны быть опломбированы.
После счетчика, включенного непосредственно в питающую сеть, должен быть установлен аппарат защиты. Он должен устанавливаться возможно ближе к счетчику, но не далее чем на 10 м по длине электропроводки. Если после счетчика каждая линия снабжена аппаратами защиты, установка общего аппарата защиты не требуется. Перед счетчиком должно быть установлено отключающее устройство в виде рубильника или двухполюсного выключателя для безопасной замены счетчика с приспособлением для пломбирования. Кто имеет право обслуживать и эксплуатировать электрооборудование? Эксплуатация электрооборудования бывает производственная и техническая. Производственная эксплуатация предполагает использование оборудования с целью получения технологического эффекта и производится технологическим персоналом или пользователем (электросоковыжималка — для получения сока, электроплита — для приготовления пищи и т. п.). В условиях производства этот персонал относится к 1-й группе по технике безопасности и периодически инструктируется. Техническая эксплуатация направлена на обеспечение надежной и безопасной работы оборудования или восстановление его работоспособности и должна осуществляться квалифицированным электротехническим персоналом. Квалифицированным электротехническим персоналом считаются специально подготовленные лица, прошедшие проверку знаний в объеме, обязательном для данной работы, и имеющие квалификационную группу по технике безопасности. Групп по технике безопасности 5. Чем выше квалификационная группа, тем больше возможности электротехнического персонала. Лица со второй квалификационной группой могут выполнять работы в недействующих электроустановках, с третьей и выше — в действующих электроустановках. В зависимости от вида помещений, условий окружающей среды, наличия или отсутствия токопроводящих предметов предъявляются различные требования по эксплуатации и устройству электрооборудования. Несоблюдение этих требований может привести к нарушениям в работе электроустановок, электротравмам, пожарам или взрывам. Что такое категория по надежности электоснабжения и она обеспечивается?
Все потребители электрической энергии при питании от государственной энергосистемы различаются по надежности электроснабжения, иначе — по категориям. Электроприемники I категории — это такие электроприемники, перерыв в электроснабжении которых может повлечь за собой опасность для жизни людей, значительный ущерб народному хозяйству, повреждение дорогостоящего основного оборудования, массовый брак продукции, расстройство сложного технологического процесса, нарушение функционирования особо важных элементов коммунального хозяйства. Электроприемники II категории — электроприемники, перерыв электроснабжения которых приводит к массовому недоотпуску продукции, массовым простоям рабочих, механизмов и промышленного транспорта, нарушению нормальной деятельности значительного количества городских и сельских жителей. Электроприемники III категории — все остальные электроприемники, не подходящие под определения I и II категории. Электроприемники I категории должны обеспечиваться электроэнергией от двух независимых взаимно резервирующих источников питания, и перерыв их электроснабжения может быть допущен лишь на время автоматического восстановления питания.
Для электроснабжения особой группы электроприемников I категории должно предусматриваться дополнительное питание от третьего независимого взаимно резервирующего источника питания. В качестве такого источника могут использоваться местные электростанции, аккумуляторные батареи и т. п. Примеры потребителей I категории — аварийнее освещение зрелищных предприятий, охранная сигнализация, инкубатории, предприятия канализации, варочные, операционные отделения и т. п. Электроприемники II категории допускают перерыв в электроснабжении до одних суток, их электроснабжение может осуществляться по одной воздушной линии или по одной кабельной линии, состоящей не менее чем из двух кабелей, присоединенных к одному общему аппарату. К потребителям II категории относятся мастерские, молочно-товарные фермы, теплицы и т. п. Потребители III категории могут питаться от одного источника электроснабжения, при условии, что время ремонта или замены поврежденного элемента не превышает одних суток. К потребителям III категории относят индивидуальные жилые дома, дачи и т. п. Kак классифицируют электроустановки и помещения по условиям окружающей среды? Электроустановкой называется совокупность машин, аппаратов, линий и вспомогательного оборудования вместе с сооружениями и помещениями, в которых они установлены. Открытыми, или наружными, электроустановками называются электроустановки, не защищенные зданием от атмосферных воздействий. Электроустановки, защищенные только навесами, сетчатыми ограждениями и т. п., рассматриваются как наружные. Закрытыми, или внутренними, электроустановками называются электроустановки, размещенные внутри здания, защищающего их от атмосферных воздействий. Электропомещениями называются помещения или отгороженные, например сетками, части помещения, доступные только для квалифицированного обслуживающего персонала, в которых расположены электроустановки. Сухими помещениями называются помещения, в которых относительная влажность воздуха не превышает 60%. Влажными помещениями называются помещения, в которых пары или конденсирующая влага выделяются лишь кратковременно в небольших количествах, а относительная влажность воздуха более 60%, но не превышает 75%. Сырыми помещениями называются помещения, в которых относительная влажность воздуха длительно превышает 75%. Особо сырыми помещениями называются помещения, в которых относительная влажность воздуха близка к 100% (потолок, стены, пол и предметы, находящиеся в помещении, покрыты влагой). Жаркими помещениями называются помещения, в которых под воздействием различных тепловых излучений температура превышает постоянно или периодически (более 1 сут)+ 35°С (например, помещения с сушилками, сушильными и обжигательными печами, котельные и т.
п.). Пыльными помещениями называются помещения, в которых по условиям производства выделяется технологическая пыль в таком количестве, что она может оседать на проводах, проникать внутрь машин, аппаратов и т. п. Пыльные помещения разделяются на помещения с токопроводящей пылью и помещения с токонепроводящей пылью. Помещениями с химически активной или органической средой называются помещения, в которых постоянно или в течение длительного времени содержатся агрессивные пары, газы, жидкости, образуются отложения или плесень, разрушающие изоляцию и токоведущие части электрооборудования. По опасности взрыва или пожара помещения бывают взрывоопасными (шесть классов — B-I, В-Iа,в, г, B-II и В-IIа) и пожароопасными (четыре класса - П-1, П-II, П-IIIa, П-III). Kак классифицируют электроустановки и помещения по опастности поражения электрическим током? Электроустановки по условиям электробезопасности делят на установки до 1000 В и установки выше 1000 В, действующие и недействующие. В отношении опасности поражения людей электрическим током различаются: 1. Помещения без повышенной опасности, в которых отсутствуют условия, создающие повышенную или особую опасность. 2. Помещения с повышенной опасностью, характеризующиеся наличием в них одного из следующих условий, создающих повышенную опасность: а) сырости или токопроводящей пыли; б) токопроводящих полов (металлические, земляные, железобетонные, кирпичные и т. п.); в) высокой температуры; г) возможности одновременного прикосновения человека к имеющим соединение с землей металлоконструкциям зданий, технологическим аппаратам, механизмам и т. п., с одной стороны, и к металлическим корпусам электрооборудования, — с другой. 3. Особо опасные помещения, характеризующиеся наличием одного из следующих условий, создающих особую опасность: а) особой сырости; б) химически активной или органической среды; в) одновременно двух или более условий повышенной опасности. 4. Территории размещения наружных электроустановок. В отношении опасности поражения людей электрическим током эти территории приравниваются к особо опасным помещениям. От чего зависит напряжение , применяемое в электроустановках? Напряжение в электроустановках принимают стандартным с учетом класса помещений по условиям окружающей среды и опасности поражения электрическим током. При питании от государственной энергосистемы номинальное напряжение питающей однофазной сети — 220 В, трехфазной — 380/ 220 В. В помещениях без повышенной опасности это напряжение применяют без ограничений, в том числе и для электрифицированного инструмента. В помещениях с повышенной опасностью и особо опасных при выполнении открытых проводок их высота должна быть не менее 2, 5 м за исключением спусков к розеткам, выключателям аппаратов и т.
д. При невозможности соблюсти это требование должно применяться пониженное (42 В и ниже) напряжение и выполняться проводки в трубах (например, проводки в подвалах на даче или в смотровой яме гаража и т. п.). Переносной электрифицированный инструмент применяют в этих помещениях на напряжение 36 В, а в особо опасных и на металлических полах или емкостях — при использовании дополнительных защитных средств (диэлектрических бот, перчаток, ковриков и т. п.). Аналогичные требования предъявляются и к переносным осветительным приборам. Какие различают виды поражения электрическим током? Различают два вида поражения электрическим током: электрические травмы и электрический удар. Электрические травмы представляют собой местные поражения тканей электрическим током в виде ожогов, электрических знаков и металлизации кожи. Ожоги возникают при прохождении через тело человека тока более 1 А, в результате чего в тканях выделяется тепло. При нагреве тканей до температуры 60 — 70°С свертывается белок и возникает ожог. Электрические знаки появляются в месте контакта с токоведущими частями. Они выделяются в виде овальной или круглой припухлости с затвердевшей кожей желтоватого цвета, очерченной белой или серой каймой. Их появление связано с глубоким поражением живой ткани. Электрометаллизация кожи — пропитывание поверхности кожи частицами металла при его разбрызгивании и испарении под действием тока при горении дуги. Электрический удар (шок) наблюдается при воздействии тока до нескольких сотен миллиампер. Такой ток не вызывает ожогов, но, действуя на нервную систему и мышцы, может привести к параличу дыхательных мышц, а также мышц сердца, в отдельных случаях - к смертельному исходу. Что называется напряжением прикосновения? Если к заземленной установке, в которой возникло напряжение на корпус, прикоснется человек, он окажется под действием напряжения прикосновения. Напряжением прикосновения называется разность потенциалов между опорными точками под ногами человека и руками, которыми он касается корпуса электроустановки, находящейся под напряжением. Различают однофазное прикосновение, т.
е. прикосновение к одной фазе сети, и двухфазное — прикосновение к двум фазам сети. Однофазное прикосновение происходит и при одновременном прикосновении к фазному и нулевому проводам, но в этом случае возможность поражения током увеличивается ввиду уменьшения сопротивления, которое в данном случае состоит из сопротивления человеческого тела от руки к руке. Двухфазное прикосновение более опасно - в этом случае человек попадает под полное линейное напряжение. Напряжение прикосновения может достигнуть опасной величины в случае большого сопротивления заземлителя или обрыва заземления. Как защитить себя и окружающих от поражения электрическим током? Безопасность обслуживающего персонала и прочих потребителей электрической энергии от поражения электрическим током обеспечивается: • применением изоляции, которая может быть повышенной, а в отдельных случаях — двойной; • соблюдением расстояния до токоведущих частей или путем закрытия, ограждения токоведущих частей; • применением блокировки аппаратов и ограждающих устройств для предотвращения ошибочных операций и доступа к токоведущим частям; • надежным и быстродействующим автоматическим отключением частей электрооборудования, случайно оказавшихся под напряжением, поврежденных участков сети, в том числе защитного отключения; • заземлением и заземлением корпусов оборудования и элементов электроустановок, которые могут оказаться под напряжением вследствие повреждения изоляции; • выравниванием потенциалов; • применением разделительных трансформаторов; • применением напряжений 42 В и ниже переменного тока частотой 50 Гц и 110 В и ниже постоянного тока; • применением предупреждающей сигнализации, надписей и плакатов; • применением устройств, снижающих напряженность электрических полей; • использованием средств защиты и приспособлений, в том числе для защиты от воздействия электрического поля в электроустановках, в кото рых его напряженность превышает допустимые нормы. В жилых, общественных и тому подобных помещениях устройства, служащие для ограждения и закрытия токоведущих частей, должны быть сплошные; в производственных помещениях и электропомещениях допускаются сплошные, сетчатые или дырчатые устройства. Ограждающие и закрывающие устройства должны быть выполнены так, чтобы снимать или открывать их было можно лишь при помощи ключей или инструментов. Какие защитные средства применяют в электроустановках? Защитными средствами называют приборы, аппараты и переносные приспособления, предназначенные для защиты персонала, работающего в электротехнических установках, от поражения электрическим током.
Изолирующие защитные средства делятся на основные и дополнительные. В установках низкого напряжения основными защитными изолирующими средствами являются резиновые диэлектрические перчатки и галоши, инструмент с изолирующими рукоятками, указатели напряжения. К дополнительным защитным средствам в установках низкого напряжения относятся резиновые коврики и изолирующие подставки. Техническое состояние всех защитных средств, принятых в эксплуатацию, надо систематически проверять. Перед вводом в эксплуатацию защитного средства необходимо проверить его исправность и соответствие защитного средства напряжению установки (табл.1).
Таблица 1. Периодичность и нормы электрических испытаний защитных средств
| Наименование защитных средств | Напряжение электроустановки, кВ | Испытательное напряжение, кВ | Продолжительность испытания, мин | Ток утечки (не более), мА | Сроки периодических испытаний, мес |
| Перчатки резиновые диэлектрические | До 1 | 2,5 | 1 | 2,5 | 6 |
| Тоже | Выше 1 | 6,0 | 1 | 6,0 | 6 |
| Боты резиновые диэлектрические | Любое | 15 | 1 | 7,5 | 36 |
| Галоши резиновые диэлектрические | До 1 | 3,5 | 1 | 2,0 | 12 |
| Коврики резиновые | До1 | 3,0 | Протягиванием их между цилиндрическими электродами со скоростью 2-3 см/с | 3,0 | 24 |
| Тоже | Выше 1 | 15 | Тоже | 15 | 24 |
| Инструмент с изолирующими рукоятками | До 1.0 | 2,0 | 1 | - | 12 |
| Токоизмерительные клещи | До 0,04 | 0,5 | 5 | - | 12 |
| Тоже | 0,04-0,65 | 2,0 | 5 | - | 12 |
| —— » —— | 0,65-1 | 3,0 | 5 | - | 12 |
| Изолирующие подставки | Любое | 40 | 1 | - | 24 |
Какие выпускаются устройства защитного отключения? Защитно-отключающие устройства предназначены для защиты от поражения током людей, работающих с электроустановками переменного тока. В настоящее время разработано большое количество схем защитного отключения. Технические характеристики некоторых устройств, применяемых в сетях с заземленной нейтралью, приведены в таблице 2. Таблица 2. Технические характеристики защитно-отключающих устройств для передвижных и переносных токоприемников
| Тип | Отключаемая мощность, кВт | Напряжение, В | Уставка защиты, мЛ | Время отключения, с | Масса, кг |
| ИЭ-9801 | 2,2/1,1 | 220/380 | 10 | 0,05 | 2,5 |
| ИЭ-9802 | 4,0/2,2 | 220/380 | 10 | 0,05 | 4,0 |
| ИЭ-9811 | 1,1/0,6 | 220/380 | 10 | 0,05 | 3,0 |
| ИЭ-9812 | 4,0/2,2 | 220/380 | 10 | 0,05 | 3,0 |
В сетях с заземленной и изолированной нейтралью можно применять защитно-отключающие устройства типа ЗОУП-25. Они рассчитаны на ток потребителя до 25 А при напряжении 380 В; уставка защиты —10 мА, время отключения — 0,05 с, масса — 4,5 кг. При работе с электроинструментами однофазного тока общей мощностью 0,6 кВт при 220 В применяют защитно-отключающие устройства ЗОУ-1. Для электросварочных установок по своим параметрам, электрической схеме и конструктивному выполнению из серийно выпускаемых защитно-отключающих устройств наиболее перспективно устройство типа УСНТ-4. Оно может применяться для укомплектования сварочных установок переменного тока с током сварки от 60 до 500 А. Устройство УСНТ-4 обеспечивает снижение напряжения холостого хода при ручной сварке и не снижает качества сварки. Kак проверить наличие напряжения в сети? Проверяют наличие напряжения в сети или на оборудовании указателями («пробниками»), измерительными приборами. Запрещено использовать лампочки («контрольки»).
Рис. 1. Пробники и индикаторы с разнообразным питанием для проверки целости обесточенной электроцепи: а, б, в — от батарейки для карманного фонарика; г —от электросети с напряжением 127 или 220 В; а — оформление транзисторного пробника со световой индикацией; е — искровой пробник типа «Тест» с пьезогенератором; 1 — проволочный патрон; 2 — батарейка; 3 — наушник; 4 — резистор; 5 — измерительный электроприбор; 6 — розетка; 7 — корпус цангового карандаша; 8 -щуп; 9 — глазок над светодиодом; 10 — проводящая часть корпуса; 11 — зажим типа «крокодил»; 12 — курок Указатели низкого напряжения до 1000 В бывают однополюсные и двухполюсные (рис. 1). Однополюсные указатели напряжения предназначены для проверки наличия напряжения и определения фазных проводов в электроустановках временного тока при подключении счетчиков, выключателей, патронов электроламп, предохранителей и т. п. Они работают по принципу протекания емкостного тока. Однополюсный указатель напряжения состоит из сигнальной неоновой лампы типа ИН-3 или МН-3 и резистора типа МЛТ на 1 — 3 МОм, помещенных в корпус из изоляционного ударопрочного материала.
Однополюсные указатели напряжения имеют специальную маркировку: УНН-1м, УНН-lx, УНН-90, ИН-90, ИН-91 и др. Рабочее напряжение указателя типа УНН-1м -90 — 660 В переменного тока частотой 50 Гц; напряжение зажигания — 70 В. Ток, протекающий через указатель при напряжении 660 В, — не более 0, 6 мА. Масса указателя — 0, 1 кг. Двухполюсные указатели напряжения предназначены для проверки наличия и отсутствия напряжения в электроустановках переменного тока и работают по принципу протекания активного тока. Двухполюсные указатели напряжения МИН-1 и УНН-10 состоят из сигнальной лампы типа ИН-3, МН-3 или МТХ-90 и двух резисторов МЛТ-2 — ограничивающего и шунтирующего. Элементы указателя напряжения помещены в два корпуса из изоляционного материала, соединенных между собой гибким проводом с изоляцией повышенной надежности. Рабочее напряжение указателя типа УНН-10 — 70 - 660 В переменного тока и 100 - 700 В постоянного тока. Напряжение зажигания - 60 -65 В. Масса указателя - 0, 15 кг. Кроме того, выпускаются двухполюсные пробники напряжения ПН-1, позволяющие по величине светящегося столба и сигнальной лампы определить величину измеренного напряжения, фазные и нулевой провода. Какие требования техники безопасности предъявляются при эксплуатации переносных электрофицированных инструментов? Для обеспечения безопасности корпус переносного электроинструмента должен быть занулен. Штепсельные соединения выполняются таким образом, чтобы фазные выводы нельзя было спутать с зануляющими. Так, в трехфазном штепсельном соединении три фазных вывода расположены рядом, а зануляющий на некотором расстоянии от них. Если электроинструмент однофазный, то зануляющий вывод расположен между рабочими выводами. Зануляющий штырек должен быть длиннее остальных, чтобы включить зануление раньше включения рабочих жил. В месте ввода провода в корпус электроинструмента на провод надевают гибкие рукава или манжеты, предохраняющие изоляцию провода от перетирания о край корпуса. Напряжение инструмента не должно превышать 380/220 В при использовании его в помещениях без повышенной опасности и 36 В в остальных помещениях или вне их. В особо опасных помещениях, а также внутри котлов и резервуаров даже инструмент на 36 В нужно использовать с применением изолирующих защитных средств. К работе с электроинструментом допускаются лица, обученные безопасному обращению с ним.
Каждый электроинструмент закрепляют за конкретным лицом. При неисправностях нельзя самостоятельно на рабочем месте ремонтировать электроинструмент или его провод и штепсельные соединения; такой ремонт обычно бывает низкого качества. Не реже одного раза в месяц надо проверять мегаомметром изоляцию ручного электрифицируемого инструмента, понижающих трансформаторов и преобразовательной частоты, а также отсутствие обрыва заземляющей (зануляющей) жилы в питающем проводе. При каждой выдаче электроинструмент необходимо проверить при помощи специального стенда или прибора (нормо-метра). Какие требования техники безопасности предъявляются к переносным светильникам? Рукоятка переносного светильника должна быть выполнена из изоляционного материала, а патрон и лампа закрыты предохранительной металлической сеткой. Для подвода напряжения используют гибкий шланговый шнур. Переносные светильники, подключенные к сети напряжением 110 — 220 В, могут представлять значительную опасность при повреждении изоляции провода. В помещениях с повышенной опасностью и особо опасных переносные светильники применяют на напряжение не выше 36 В. В случае, если рабочий может соприкасаться с металлическими (хорошо заземленными) поверхностями или находится в особо сырых помещениях (в баках, колодцах, котлах), для питания переносных светильников применяют напряжение не выше 12 В. Переносные светильники присоединяют к сети напряжением 12 - 36 В или к сети 110 - 220 В через понижающие трансформаторы. Длина проводов от штепсельной розетки на 127 — 220 В до переносного трансформатора должна быть не более 2 м. У понижающих трансформаторов корпус и обмотки низшего напряжения заземляют, открытые незащищенные токоведущие части ограждают. При работе внутри металлических баков и котлов понижающий трансформатор располагают снаружи. Изоляцию переносных проводов, а также понижающих трансформаторов проверяют мегаомметром не реже одного раза в месяц. Какие требования предъявляются к лестицам и стремянкам? Для изготовления лестниц и стремянок необходимо использовать сухое дерево, желательно без сучков.
Ступени (перекладины) врезают в тетивы и через каждые 2 м скрепляют стяжными болтами. Запрещается работать на лестницах и стремянках, у которых перекладины прибиты гвоздями. Разрешается использовать приставные деревянные лестницы длиной не более 5 м и шириной не менее 0,5 м. Нижние концы лестниц и стремянок должны быть снабжены шипами или резиновыми наконечниками. Если пол деревянный крашеный, паркетный, асфальтовый, бетонный и т.д., используются резиновые наконечники; если же пол земляной или деревянный торцовый, применяются металлические шипы. Нельзя устанавливать лестницы и стремянки на дополнительные промежуточные сооружения из ящиков, бочек и др. Как освободить человека от воздействия электрического тока? При соприкосновении человека с токоведущими частями надо немедленно освободить его от действия тока, быстро отключив ту часть установки, к которой прикоснулся пострадавший. В том случае, когда с отключением электроустановки одновременно отключается и электрическое освещение, необходимо обеспечить освещение от других источников. Если выключатель находится далеко и установку нельзя отключить достаточно быстро, надо принять меры к отделению пострадавшего от токоведущих частей. Оказывающий помощь должен принять необходимые меры-предосторожности: надеть диэлектрические перчатки, галоши или обернуть руки сухой тканью и подложить под ноги сухую одежду или сухую доску. Если поблизости окажется топор, можно, подсунув под провода доску, перерубить их. Рубить каждый провод надо в отдельности. Топорище должно быть совершенно сухим. Можно также перекусить каждый провод в отдельности кусачками или пассатижами с изолированными ручками. При отделении пострадавшего от токоведущих частей или проводов нельзя прикасаться к его телу незащищенными руками. Как оказать доврачебныю помощь пострадавшему? Сразу же после освобождения человека от действия электрического тока необходимо определить характер оказания первой помощи и вызвать врача. Если пострадавший находится в сознании, его следует уложить в удобное положение, освободить от стесняющей дыхание одежды, обеспечить доступ свежего воздуха и обязательно накрыть.
До прихода врача необходимо наблюдать за дыханием и пульсом. Когда человек находится в бессознательном состоянии, но сохраняется устойчивое дыхание и пульс, пострадавшему следует дать понюхать нашатырный спирт и обрызгать лицо водой. Если пострадавший не дышит или дышит очень редко и судорожно, ему следует немедленно начать делать искусственное дыхание. Для этого пострадавшего кладут на спину. Оказывающий помощь одну руку подкладывает под шею пострадавшего, а другой старается как можно больше запрокинуть его голову назад. При таком положении головы восстанавливается проходимость дыхательных путей — запавший язык отходит от задней стенки гортани. Следует проверить, нет ли во рту посторонних предметов и при помощи носового платка освободить рот от слизи; под лопатки надо подложить валик из свернутой одежды. Сделав глубокий вдох, надо через марлю или платок вдувать воздух в рот пострадавшего. Выдох будет происходить самопроизвольно. Вдувание воздуха производят через каждые 5 — 6 с. Если челюсти у пострадавшего плотно стиснуты и их нельзя быстро разжать, необходимо производить искусственное дыхание методом «рот в нос», т. е. вдувать воздух в нос пострадавшего. Когда воздух вдувается в рот, рукой зажимают нос пострадавшего, а если вдувание производится в нос, зажимают рот. Маленьким детям воздух вдувают одновременно в рот и нос. Для искусственного дыхания по способу «рот в рот» наша промышленность выпускает ручные портативные аппараты РПА-1 и РПА-2. Этими аппаратами осуществляется ритмичное вдувание в легкие пострадавшего атмосферного воздуха в одном из заданных объемов: 0, 25; 0, 5; 1; 1, 5 л. Помимо искусственного дыхания рекомендуется производить также наружный массаж сердца. Для этого грудную клетку пострадавшего освобождают от одежды, а спину его укладывают на твердое основание. Ноги пострадавшего следует приподнять примерно на 0, 5 м. При нахождении потерпевшего в состоянии мнимой смерти рекомендуется производить комплексное оживление — искусственное дыхание совместно с массажем сердца.
Наиболее целесообразно проводить оживление вдвоем, в этом случае можно поочередно проводить искусственное дыхание и массаж сердца. Если первую помощь оказывает один человек, он делает пострадавшему 2—3 глубоких вдувания, после чего в течение 15—20 с проводит массаж сердца, затем снова искусственное дыхание, опять. массаж и т. д. О восстановлении сердечной деятельности свидетельствует появление пульса, который сохраняется, если на несколько секунд прекратить массаж. Как проверить эффективность оказываемой помощи? При правильном проведении искусственного дыхания каждое вдувание вызывает расширение грудной клетки, прекращение вдувания вызывает ее спадание, сопровождаемое характерным шумом при выходе воздуха из легких пострадавшего через рот и нос. При затруднении вдувания надо проверить, свободны ли дыхательные пути пострадавшего. Эффект наружного массажа сердца проявляется в первую очередь в том, что каждое надавливание на грудину вызывает появление пульса — на лучевой артерии у запястья или на сонной артерии на шее. При правильном проведении искусственного дыхания и массажа сердца у пострадавшего появляются следующие признаки оживления: улучшается цвет лица — оно приобретает розовый оттенок вместо серо-землистого цвета с синеватым оттенком, который был до оказания помощи; появляются самостоятельные дыхательные движения, которые становятся все более и более равномерными по мере продолжения мероприятий по оживлению; сужаются зрачки. Степень сужения зрачков может служить наиболее точным показателем эффективности оказываемой помощи. Узкие зрачки указывают на достаточное снабжение мозга кислородом. Начинающееся расширение зрачков указывает на ухудшение кровообращения мозга. Следует помнить, что даже кратковременное прекращение искусственного дыхания или массажа сердца может привести к непоправимым последствиям. При поражении электрическим током ни в коем случае нельзя зарывать пострадавшего в землю, так как это принесет ему только вред. Kак погасить огонь в действующих электоустановках? При тушении пожара в электроустановках, находящихся под напряжением, надо применять ручные огнетушители типа ОУ-2 и ОУ-5. Для приведения в действие этих огнетушителей необходимо левой рукой взяться за ручку, а правой повернуть маховичок вентиля в направлении против часовой стрелки до отказа. После этого из раструба огнетушителя начнет выбрасываться струя углекислоты длиной около 2 м.Действие огнетушителя ОУ-2 - 30 с, а ОУ-5 - 50 с. Во время тушения пожара необходимо отключить электроустановку. После ликвидации очагов пожара включать электроустановку можно только после очистки, проверки и восстановления нормального состояния всех питающих ее линий. Применять пенные огнетушители нельзя, так как пена является хорошим электропроводником.
