close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Nefedov

код для вставкиСкачать
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное автономное
образовательное учреждение высшего образования
САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
АЭРОКОСМИЧЕСКОГО ПРИБОРОСТРОЕНИЯ
МАГНИТНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ
ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ
Методические указания
по выполнению лабораторных работ
Санкт-Петербург
2015
Составители: В. Г. Нефедов, О. Н. Новикова, В. И. Казаков
Рецензент – кандидат технических наук, доцент В. Н. Филатов
Содержатся методические указания к выполнению лабораторных
работ, посвященных изучению принципов работы и параметров магнитных элементов электронных устройств.
Предназначены для студентов всех специальностей при изучении
дисциплины «Магнитные элементы электронных устройств».
Публикуется в авторской редакции.
Компьютерная верстка Ю. В. Умницына
Подписано к печати 26.01.16. Формат 60 × 84 1/16.
Бумага офсетная. Усл. печ. л. 2,7. Тираж 100 экз. Заказ № 562.
Редакционно-издательский центр ГУАП
190000, Санкт-Петербург, Б. Морская ул., 67
© Санкт-Петербургский государственный
университет аэрокосмического
приборостроения, 2015
ВВЕДЕНИЕ
Последовательность выполнения работ описана в пристендовых
инструкциях в учебной лаборатории. До выполнения конкретной
лабораторной работы студент должен ознакомиться с методикой
измерений и принципами работа измерительной установки (прибора). При подготовке к защите лабораторной работы студенту необходимо обратить внимание на следующие общие для всех работ
теоретические вопросы:
– физические явления, используемые в элементах, и математические выражения физических законов, на которых основан вывод
расчетных формул;
– эквивалентные схемы и частотные свойства элементов;
– связь между электрическими и конструктивными параметрами элементов;
– факторы, ограничивающие предельные параметры элементов;
– пределы изменений значений параметров в реальных элементах.
3
ПРАВИЛА ОФОРМЛЕНИЯ ТЕКСТОВЫХ ДОКУМЕНТОВ
ПО ГОСТ 7.32 – 2001
Изложение текста и оформление работ следует выполнять в соответствии с требованиями ГОСТ 7.32 – 2001
1. Текст работ следует печатать, соблюдая следующие требования:
– текст набирается шрифтом Times New Roman кеглем не менее
12, строчным, без выделения, с выравниванием по ширине;
– абзацный отступ должен быть одинаковым и равен по всему
тексту 1,27 см;
– строки разделяются полуторным интервалом;
– поля страницы: верхнее и нижнее не менее 20 мм, левое не менее 30 мм, правое не менее 10 мм;
– полужирный шрифт не применяется;
– разрешается использовать компьютерные возможности акцентирования внимания на определенных терминах, формулах,
теоремах, применяя шрифты разной гарнитуры;
– введение и заключение не нумеруются.
2. Основную часть работы следует делить на разделы и подразделы:
– разделы и подразделы должны иметь порядковую нумерацию
в пределах всего текста, за исключением приложений;
– нумеровать их следует арабскими цифрами;
– номер подраздела включает номер раздела и порядковый номер подраздела, разделенные точкой;
– после номера раздела и подраздела в тексте точку не ставят;
– разделы и подразделы должны иметь заголовки;
– заголовки разделов и подразделов следует печатать с абзацного отступа с прописной буквы без точки в конце, не подчеркивая;
– если заголовок состоит из двух предложений, их разделяют
точкой;
– переносы слов в заголовках не допускаются;
3. Нумерация страниц текстовых документов:
– страницы работ следует нумеровать арабскими цифрами, соблюдая сквозную нумерацию по всему тексту работ;
– титульный лист включают в общую нумерацию страниц работ;
– номер страницы на титульном листе не проставляют;
– номер страницы проставляют в центре нижней части листа без
точки.
4
ПРАВИЛА ОФОРМЛЕНИЯ ОТЧЕТОВ
Отчет выполняется на бумаге формата 297×210 мм. Допускается применять бумагу «в клетку» и использование обеих сторон
листа (включая титульный лист и графики). Графики строятся на
отдельных листах формата отчета. При использовании нелинованной бумаги рекомендуется нанести на график координатную сетку.
Иллюстрации малых размеров размешаются по несколько штук на
листе. Допускается на листах с иллюстрациями помещать таблицы, но не следует перемешивать иллюстрации с текстом.
Поля страницы: верхнее и нижнее не менее 20 мм, левое не менее 30 мм, правое не менее 10 мм. Толщина линий графиков должна быть 1,5 мм, толщина линий осей координат – 0,5 мм, толщина остальных линий – 0,25 мм. Все линии на графиках должны
быть одного темного цвета. Когда на графике приведено несколько
функциональных зависимостей, кривые рекомендуется обозначать
либо разным начертанием, либо цифрами, либо символами, либо
числовыми значениями параметров, которые должны быть разъяснены в тексте или в подписи к рисунку. Размерность на графиках ставится в конце оси координат вне поля графика в виде дроби,
в числителе которой – обозначение физической величины, а в знаI U
S
, ,
менателе – единица измерения (
). При этом обоìÀ  ìÀ ⋅ –1
значения по оси абсцисс должны располагаться под осью, а по оси
ординат – слева от оси. Обозначения в виде наименований следует
располагать параллельно соответствующим осям.
Для оцифровки осей применяется натуральный ряд чисел
0, 1, 2, 3,… помноженный на (2 или 4 или 5)·10n, где n = 0, ±1, ±2,
±3, …
При оформлении графического материала для заглавных букв и
цифр применять шрифт 5 мм, для строчных букв – 3,5 мм.
Рисунки должны быть пронумерованы и иметь подписи. Пример: «Рисунок 1 – Эквивалентная схема конденсатора».
Принципиальные схемы вычерчиваются в соответствии с требованиями ЕСКД.
5
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ПОДГОТОВКЕ
К РАБОТАМ
Магнитные элементы (МЭ) являются неотъемлемой частью всех
электронных устройств. Несинусоидальность напряжений и токов,
их повышенная частота (в том числе и от гармонических составляющих) и другие отличительные свойства электронных устройств
определяет специфические требования к применяемым в этих
устройствах магнитным элементам. Например: изготовление их
из особых магнитных материалов и проводников для обмоток, использование специальных конструктивных исполнений (тороидальные, чашечные, кабельные и др.), специальные расчеты режимов работы.
Процессы, протекающие в любой электрической цепи, всегда
сопровождаются следующими тремя явлениями:
– запасанием электрической энергии между участками с неодинаковыми электрическими потенциалами;
– запасанием магнитной энергии в пространстве, окружающем
токоведущие части и в самих токоведущих частях;
– необратимым превращением электрической энергии в тепловую в токоведущих частях и средах, в которых запасается электрическая и магнитная энергии.
Свойство электрической цепа или любого ее участка запасать
электрическую энергию называется электрической емкостью,
обозначается буквой С, измеряется в фарадах (Ф): 1Ф (один фарад) = 106 микрофарад (мкФ) = 1012 пикофарад (пФ).
Свойство цепи запасать магнитную энергию называется индуктивностью L, измеряется в Генри (Гн): I Гн = 103 миллигенри
(мГн) = 10 микрогенри (мкГн) = 109 наногенри (нГн). Генри равен индуктивности контура, в котором возникает ЭДС самоиндукции в 1
В при равномерном изменении силы тока в этом контуре на 1 А за 1 с.
Свойство цепи необратимо превращать электрическую энергию в тепловую энергию называется активным электрическим
сопротивлением R. Измеряется в омах (Ом): 1 Ом = 10–3 килоом
(кОм) = 10–6 мегом (Мом).
Участок электрической цепи, в котором должна запасаться
только электрическая энергия называется емкостным элементом
(конденсатор, варикап и др.), только магнитная энергия – индуктивным элементом (катушка индуктивности, короткозамкнутый
отрезок коаксиального кабеля и др.), и элемент, в котором должно происходить только необратимое превращение электрической
6
энергии в тепловую, – резистивным элементом (резистор, магниторезистор и др.).
Катушки индуктивности
По закону электромагнитной индукции ЭДС электромагнитной
индукции одиночного контура равна скорости изменения потока
сцепления y, взятой с отрицательным знаком
e= −
dΨ
.
dt
Так как y = LI, где I – ток в контуре, то закон Ома для индуктивности устанавливается в виде (при L = const)
U =−e =L
dI
.
dt
Коэффициент пропорциональности L называется индуктивностью катушки.
Индуктивность кольцевой катушки с сердечником может быть
определена по приближенной формуле
L=
µ0µN 2 S
,
lñð
где µ0 = 4p·10–3 мкГн/см – магнитная постоянная, µ – относительная магнитная проницаемость сердечника, N – число витков обмотки, S – площадь сечения сердечника, перпендикулярная магнитным силовым линиям, см2; lср – средняя длина магнитных силовых
линий в сердечнике, см.
Если в катушке индуктивности применяется сердечник с относительной магнитной проницаемостью µ > 1, то для получения той
же индуктивности (что и при сердечнике с µ = 1) количество витков N следует уменьшить в µ раз по сравнению с катушкой без
сердечника. Если количество витков N оставить прежним, то объем катушки V = Slср можно уменьшить приблизительно в µ раз. Чем
больше значение µ, тем большая величина потерь вносится в катушку индуктивности.
Добротность катушки индуктивности определяется отношением
=
Q
Pðåàêò ωL
=
,
Pà
r
7
где Pреакт – реактивная мощность, запасенная в катушке индуктивности, Pa – мощность потерь, r – сопротивление потерь, ω – круговая частота.
Основными составляющим сопротивления потерь являются сопротивление, обусловленное поверхностным эффектом, сопротивление, обусловленное эффектом близости, сопротивление потерь,
вносимых экраном и сопротивление потерь в магнитном сердечнике.
Переменный ток, в отличие от постоянного, не распределяется
равномерно по сечению проводника, а по мере возрастания частоты вытесняется к поверхности, занимая все более тонкий поверхностный слой. Это явление получило название поверхностного эффекта.
Пусть в прямолинейном проводнике круглого сечения мгновенное направление основного переменного тока i1 указывается стрелкой (рис. 1). Линии магнитного поля H1, возбуждаемого этим током, имеют вид концентрических окружностей и направлены по
часовой стрелке. Это поле, пронизывая проводник, возбуждает
в нем индукционный ток i2, который создает вторичное магнитное
поле H2, направленное противоположно основному. Рассматривая
лишь правую часть сечения провода, легко определить, что линии
этого поля направлены снизу вверх.
По направлению силовых линий вторичного поля H2 можно
установить путь циркуляции и направление вызывающего его тока
i2. Это направление показано на рис. 1 пунктиром. Сравнивая на-
i1
i2
H1
H2
Рис. 1
8
i2
правление тока i2 в различных частях сечения проводника с направлением основного тока i1, можно заключить, что в наружных
слоях проводника эти направления совпадают, а во внутренних они
противоположны. Поэтому плотность тока в наружных слоях проводника возрастает, а во внутренних – падает.
Сущность поверхностного эффекта заключается в том, токи,
индуцируемые магнитным полем катушки внутри проводника
противофазны основному току и компенсируют его, а в областях,
прилегающих к поверхности, – синфазны. С увеличением частоты вследствие закона электромагнитной индукции эта компонента
усиливается. При удалении от поверхности проводника плотность
тока уменьшается приблизительно по экспоненциальному закону.
Для упрощения считают, что ток протекает по тонкому слою, называемому эффективной глубиной проникновения. Для немагнитных
материалов эффективная глубина проникновения
ρýôô = 0,5 ρ f ,
где ρ – удельное сопротивление проводника, f – частота.
В близко расположенных участках проводника распределение
тока по сечению проводника зависит от направления токов. При
одинаковом направлении токов ток оттесняется к более удаленным
сечениям проводников. При сворачивании проводника в виток по
противоположным участкам проводника протекают токи в противоположном направлении и, соответственно, происходит вытеснение тока во внутреннюю часть витка. Этот эффект называется эффектом близости. При этом уменьшается эффективное поперечное
сечение проводника и увеличивается его сопротивление, причем
большему диаметру провода при
фиксированном диаметре вит- r
ка соответствует большее сопроrΣ
тивление проводника за счет доrблиз
бавки, обусловленной эффектом
близости.
На рис. 2 изображены зависимости составляющих потерь в токопроводе от диаметра провода,
r пов
обусловленных поверхностным
эффектом rпов и эффектом блиd
O
d opt
зости rблиз при фиксированном
диаметре витка катушки.
Рис. 2
9
Собственная емкость
Собственная емкость каr
L
тушки индуктивности С0 определяет частоту параллельного
паразитного резонанса и явC0
ляется основным фактором,
ограничивающим диапазон рабочих частот катушки сверху.
Рис. 3
Собственная емкость однослойной катушки прямо пропорциональна радиусу катушки, зависит
от шага намотки и практически не зависит от числа витков. Физически реальная эквивалентная схема катушки индуктивности может быть представлена в виде параллельного контура с потерями
(рис. 3).
Экраны катушек
Электромагнитные экраны предназначены для локализации
в некотором объеме пространства полей, создаваемых излучателями электромагнитной энергии, с целью исключения влияния этих
полей на катушку индуктивности и уменьшения паразитных связей, обусловленных полем рассеяния катушки на чувствительные
элементы РЭА. С этой целью катушки располагают внутри замкнутого металлического заземленного экрана.
В зависимости от преобладания того или иного вида полей различают три вида экранирования: электростатическое, магнитостатическое и электромагнитное, электростатическое экранирование
предназначено для устранения влияния постоянного или медленно
меняющегося электрического поля и связано с отсутствием электрического поля внутри проводника, находящегося во внешнем
электрическом поле. Если внутрь такого проводника поместить
устройство, подверженное влиянию электростатического поля, то
можно исключить это влияние.
Электростатические экраны применяют, когда хотят устранить
емкостную связь между катушками, не влияя на индуктивную связь.
Магнитостатическое экранирование основано на замыкании
магнитного поля в толще экрана вследствие его большей магнитопроводности по сравнению с окружающим пространством.
Электромагнитное экранирование основано на использовании
вихревых токов, образующихся в стенках экрана. Такое экраниро10
вание ослабляет как электрические, так и магнитные переменные
поля.
Электромагнитное экранирование возможно при применении
металлических материалов с высокой электропроводностью (медь,
алюминий, латунь и др.). Экранирующее действие характеризуется отношением напряженности внешнего поля катушки при наличии экрана к напряженности поля при его отсутствие. Для рядовых
экранов это отношение ~ 0,01–0,05. Под влиянием экрана изменяются все радиотехнические параметры катушки; уменьшаются ее индуктивность и добротность, увеличиваются сопротивление потерь и
собственная емкость. Поэтому экраны стабильных катушек изготавливают из материалов с малым температурным коэффициентом линейного расширения, например инвара или омедненной керамики.
Влияние экрана на параметры катушки тем сильнее, чем ближе
его стенки расположены к катушке. Для обычных катушек соотношение между диаметром экрана и катушки выбирают в пределах
1,6...2,5, а для стабильных катушек – более 2,5.
На частотах около 100 МГц и выше возможно применение фольговых экранов. Такие экраны изготавливают из фольги толщиной
0,01…0,05 мм, как правило, из алюминия, меди. Для увеличения
жесткости конструкции фольга обычно наклеивается на какое-либо диэлектрическое основание. Обычно экранируют катушки, диаметр которые не менее 15…20 мм. Если диаметр катушки не более 4…5 мм, то при удалении их от других деталей на расстояние
15…20 мм опасных связей не возникает, и они не нуждаются в специальном экране.
Сердечники катушек
Сердечники катушек индуктивности могут быть выполнены из
магнитного и немагнитного материала. Магнитные сердечники
применяют для уменьшения габаритов катушки и регулирования
индуктивности. Индуктивность катушки с сердечником может
быть определена по приближенной формуле
Lñåðä = µL,
где µ – относительная магнитная проницаемость сердечника, L –
индуктивность катушки без сердечника.
Магнитные сердечники катушек индуктивности изготавливают из магнитодиэлектриков или ферритов. Магнитодиэлектри11
ки представляют собой композиционный материал, состоящий из
ферромагнитного порошка, частицы которого связаны между собой каким-либо диэлектриком. В качестве ферромагнетика применяют альсифер (сплав алюминия, кремния и железа), карбонильное железо (технически чистое железо с примесями углерода, азота
и кислорода) и пермаллой (сплавы железа с никелем). Диаметр зерен порошка меняется в широких пределах (от 1,5 до 120 мкм) и
определяет граничную частоту применения магнитодиэлектрика.
В качестве связующих веществ используют бакелит, аминопласты,
стирол и др. Достоинством магнитодиэлектриков являются достаточно высокие температурная и временная стабильность, постоянная µ в широком диапазоне частот, малые потер и линейная их
зависимость от частоты. Недостатком – невысокая магнитная проницаемость.
Ферриты представляют собой сложные структуры типа окислов. Наиболее распространены ферриты на основе окислов железа, никеля, марганца и свинца. Ферриты имеют большое удельное
электрическое сопротивление (ρ≈1011 Ом·см) и по электрическим
свойствам относятся к полупроводникам и диэлектрикам, что обеспечивает малые потери на вихревые токи даже на очень высоких
частотах. Начальная диэлектрическая проницаемость ферритов
велика и может достигать нескольких тысяч. С повышением частоты она резко падает и на СВЧ может составлять 5–10 единиц.
Обычно для катушек индуктивности применяют никель-цинковые
(НЦ), марганец-цинковые (МЦ) и литий-цинковые (ЛЦ) ферриты.
Основным достоинством ферритов является их высокая начальная
магнитная проницаемость, позволяющая существенно уменьшить
габариты катушек. К недостаткам следует отнести повышенную
температурную нестабильность ферритов.
Немагнитные сердечники применяют для подстройки индуктивности в KB и УКВ диапазонах. Обычно их изготавливают из
меди или латуни. Вследствие большого уровня вихревых токов, наводящихся в таких сердечниках, индуктивность и добротность катушки уменьшаются. Для снижения влияния емкостей, вносимых
немагнитным сердечником, последний должен быть изолирован от
корпуса и токонесущих элементов схемы.
Контрольные вопросы
1. Индуктивность катушки.
2. Добротность катушки.
3. Собственная емкость катушки.
12
4. Сопротивление провода катушки току высокой частоты. Поверхностный эффект. Эффект близости.
5. Экранирование катушек. Влияние экрана на электрические
параметры катушек индуктивности.
6. Магнитные сердечники: классификация, материалы сердечников, влияние магнитных сердечников на радиотехнические параметры катушек.
7. Катушки индуктивности с немагнитными сердечниками.
Литература
1. Радиоматериалы, радиокомпоненты и электроника: учеб. пособие / К.С. Петров. Питер, 2003. 512с.
2. Волгов В. А. Детали и узлы радиоэлектронной аппаратуры.
М.: Энергия, 1977. 656 с.
Магнитный усилитель
Магнитный усилитель (МУ) – это устройство, позволяющее
с помощью малых по напряжению, (току, мощности) входных
сигналов постоянного тока управлять большими по напряжению
(току, мощности) выходными сигналами переменного тока.
Принцип действия МУ основан на нелинейном характере основной кривой намагничивания. Указанная нелинейность позволяет
с помощью небольших по величине постоянных подмагничивающих полей эффективно управлять динамической магнитной проницаемостью mд материала (mд = Вm/moHm, где Вm – амплитудное
значение переменной составляющей магнитной индукции; Hm –
амплитудное значение эквивалентной синусоидальной напряженности поля; mo = 4p 10–7 Гн/м – магнитная постоянная). Зависимость mд от подмагничивающего (управляющего) постоянного
поля Ну показана на рис. 4.
Конструктивно МУ состоит из магнитных сердечников с размещенными на них обмотками.
Работа МУ может быть пояснена на примере схемы, рис. 5. На
магнитном сердечнике М размещены две обмотки: одна – рабочая
W, соединенная последовательно с нагрузкой Rн и подключенная
к источнику переменного напряжения U~; другая обмотка – управления (подмагничивания) Wу, на которую подается входной сигнал.
Эффект усиления достигается следующим образом. Переменный ток J в нагрузке определяется соотношением:
13
?a
Wy
J
–Hy ,(–I)
0
(ωL)2 + Rí2
W
Rн
Рис. 5
J=
U
M
U~
+Hy, (+I)
Рис. 4
где J =
I
U~
(ωL)2 + Rí2
,
, индуктивность рабочей обмотки, N – число
витков обмотки, Sм и lм – площадь поперечного сечения и средняя
длина магнитной силовой линии сердечника, w – круговая частота
переменного тока.
При подаче входного сигнала в управляющей обмотке возникает
постоянный ток I, создающий в сердечнике постоянное (подмагничивающее) поле Ну, которое уменьшает µд (рис. 4), а вместе с ней
индуктивность L и, следовательно, увеличивает рабочий ток J в нагрузке. Переменное напряжение на нагрузке Uн = J Rн; напряжение входного (управляющего) сигнала Uу = I rу, где rу – сопротивление обмотки управления. Коэффициент усиления по напряжению:
Kó =
DUí
,
Uó
где – DUн изменение напряжение на нагрузке (выходной сигнал)
при воздействии входного сигнала Uу.
Таким образом, МУ усиливает входной сигнал постоянного тока
(Uy) и одновременно преобразует его в выходной сигнал переменного тока (DUн).
В схеме (рис. 5), переменное магнитное поле, создаваемое рабочей обмоткой W, индуцирует в обмотке Wy электродвижущую
14
U~
Rн
Wос
Rн
Wy
U~
W1
Wу
W1
W2
Hос
Hу
W2
ВМ
M1
Uy
Рис. 6
M2
Рис. 7
силу, вызывающую в цепи управления паразитный переменный
ток, который дополнительно нагружает источник U~ и, кроме того,
искажает входной сигнал.
Конструкция реального МУ, в котором устранен этот недостаток, приведена на рис. 6. Два одинаковых магнитных сердечника
М1 и М2 образуют единый трехстержневой сердечник. Обмотка
управления Wy размещена на общем среднем стержне, а рабочие
обмотки W1 и W2 намотаны на левом и правом стрежнях встречно,
так, что ЭДС, наводимые в обмотке Wу магнитными потоками, создаваемыми обмотками W1 и W2 (пунктирные линии на рис. 6), взаимно компенсируются.
Для повышения коэффициента усиления в МУ часто используется положительная обратная связь, когда часть выходного сигнала (сигнал обратной связи) подается на вход усилителя, причем
так, чтобы фаза сигнала обратной связи совпадала с фазой входного
сигнала. На рис. 7 показан один из вариантов реализации положительной обратной связи. Обмотка обратной связи Wос наматывается
так же, как обмотка Wу на среднем стержне сердечника и включается в рабочую цепь через выпрямительный мостик ВМ. Постоянное магнитное поле Нос, создаваемое обмоткой Wос, складывается
с полем Ну, создаваемым обмоткой Wу, и тем самым усиливает подмагничивающее действие обмотки Wу. Если сигнал обратной связи
поступает в противофазе со входным сигналом, то такая обратная
связь называется отрицательной.
15
Wу
W1
W4
Rн
Wсм (1,2)
W3
Hсм
W2
Hу
Wсм (1,2)
U~
Uсм
Uу
Рис. 8
Наиболее существенный недостаток МУ, выполненных по схемам рис. 6 и рис. 7, заключается в том, что при отсутствии входного
сигнала (Uу = 0), ток в нагрузке не равен нулю (J ≠ 0), а следовательно существует некоторое начальное значение выходного сигнала
Uн(о). В этом случае Ку = (Uн–Uн(о)) /Uу.
Отмеченный недостаток отсутствует в мостовой схеме МУ,
рис. 8, особенности конструкции которого пояснены на рис. 6.
В ней используются два одинаковых трехстержневых магнитных
сердечника, каждый из которых несет по две – всего четыре – одинаковые рабочие обмотки W1,W2 и W3,W4, соединенные по мостовой схеме (рис. 9).
В одну из диагоналей моста включена нагрузка Rн, на вторую
диагональ подается напряжение источника U~. Оба средних сердечника охвачены общей обмоткой управления Wу.
Wсм
(1,2)
W1
W2
Wу
W4
W3
Wсм
Рис. 9
16
(3,4)
В отсутствии входного сигнала мостовая схема W1-W2-W3-W4
уравновешена, и ток в нагрузке равен нулю (выходной сигнал отсутствует). Таким образом, основной недостаток МУ оказывается
устраненным.
При подаче входного сигнала Uу в сердечниках возникает постоянное подмагничивающее поле и индуктивное сопротивление
всех рабочих обмоток в одинаковой степени уменьшается, при этом
равновесие моста не нарушается и выходной сигнал по-прежнему
будет равен нулю.
Для того, чтобы мостовой МУ выполнял функцию усиления
входного сигнала, вводится дополнительная обмотка смещения,
состоящая из двух половин Wсм(1,2) и Wсм(3,4), намотанных соответственно на средних стержнях первого и второго трехстержневых
сердечников. Обмотки питаются от постороннего источника постоянного тока Uсм и соединены так, что если в одном из сердечников подмагничивающее постоянное поле, создаваемое обмоткой,
например, Wсм(1,2), складывается с полем обмотки Wу, то в другом
сердечнике поле, создаваемое обмотками Wсм(3,4) и Wу вычитаются. Индуктивности рабочих обмоток W1 и W2 уменьшаются, а обмоток W3 и W4 – увеличиваются. Равновесие моста нарушается и
в нагрузке появляется выходной сигнал Uн = Ку· Uу ≠ 0.
В МУ, рис. 8, может использоваться положительная обратная
связь. Наконец, МУ( рис. 8) имеет еще одно достоинство по сравнению с МУ (рис. 6 и рис. 7) – чувствительность к полярности входного сигнала. При изменении полярности входного сигнала фаза тока
в нагрузке изменяется на 180о.
Магниторезисторы
Магниторезисторы относятся к классу полупроводниковых
гальваномагнитных приборов – полупроводниковых приборов,
в которых используется воздействие магнитного поля на движущиеся в электрическом поле носители зарядов.
Принцип действия различных полупроводниковых гальваномагнитных приборов основан на двух эффектах: на эффекте Холла,
т. е. на эффекте возникновения поперечной разности потенциалов
в полупроводнике, по которому проходит электрический ток, в том
случае, когда есть магнитное поле, перпендикулярное направлению тока, и на магниторезистивном эффекте, т. е. на эффекте изменения электрического сопротивления полупроводника под действием магнитного поля (эффект Гаусса). Оба эффекта вызваны
17
тем, что на движущийся со скоростью v носитель заряда в магнитном поле с индукцией B действует сила Лоренца:
(1)
FL = q[vB], где q = ±1,6 · 10–9 Кл (для электрона знак «–», для дырки – «+»).
Эффект Холла. Предположим, что по полупроводнику, имеющему форму прямоугольной пластины, протекает электрический
ток I, обусловленный движением только электронов (полупроводник n типа) (рис. 10, а). При этом электроны совершают дрейф со
скоростью v в противоположном току I направлении. В отсутствии
магнитного поля разность потенциалов между точками С и D, лежащими на одной эквипотенциальной поверхности, равна нулю.
Если образец поместить в магнитное поле с индукцией B, перпендикулярной направлению тока и плоскости образца, то тогда сила
Лоренца будет смещать движущиеся электроны к левой грани пластины. Направление смещения определяется направлением силы
Лоренца, т. е. векторным произведением (1) с учетом знака носителей.
В результате между боковыми гранями пластины (точками С и
D) возникает разность потенциалов (ЭДС Холла). Возникновение
эффекта Холла для полупроводника р-типа показано на рис. 10, б).
Магниторезистивный эффект. Под действием силы Лоренца траектория движения носителя заряда искривляется, что равносильно уменьшению длины свободного пробега в направлении
внешнего поля между токовыми контактами или увеличению
удельного сопротивления полупроводника в магнитном поле.
В случае одинаковой средней скорости носителей заряда и при
установлении динамического равновесия возникшая холловская
UХолла
UХолла
I
D
v
l
а
C +
B
--
--
-
FЛ
+
+
F
+
-
I
+
d
I
C
++ v
+
l
b
б
Рис. 10
18
F
+ B
F
D Л
++
- - d
I
b
напряженность
электрического
поля компенсирует действие силы
Лоренца и, следовательно, не происходит искривления траекторий.
В действительности же носители
в полупроводнике распределены
по скоростям. Поэтому носители
со скоростью, превышающей среднюю скорость, смещаются к одной
грани пластинки полупроводника,
так как на них действует большая
сила Лоренца. Носители, обладающие скоростью меньшей средней
Рис. 11
скорости, смещаются к другой грани пластинки полупроводника, так как на них действует большая
сила холловской напряженности электрического поля.
Поскольку холловская напряженность электрического поля,
возникающая в полупроводнике с током при наличии магнитного
поля, снижает магниторезистивный эффект, то конструкция магниторезистора должна быть такой, чтобы уменьшить или полностью устранить ЭДС Холла. Наилучшей формой магниторезистора
является диск Корбино (рис. 11).
При отсутствии магнитного поля ток в таком магниторезисторе проходит в радиальном направлении от центра диска ко второму электроду, расположенному по периметру диска, или наоборот. Под действием магнитного поля носители заряда отклоняются
в направлении, перпендикулярном радиусу. Так как не существует граней, на которых может происходить накопление зарядов, то
ЭДС Холла в таком магниторезисторе не возникает.
Основным полупроводниковым материалом для магниторезисторов является антимонид индия InSb и арсенид индия InAs – материалы с большой подвижностью носителей заряда.
Контрольные вопросы
1. В чем заключается эффект Холла?
2. Что такое магниторезистивный эффект?
3. Какую конструкцию должны иметь магниторезисторы?
Литература
1. Пасынков В. В., Чиркин Л. К. Полупроводниковые приборы.
СПб.: «Лань», 2001.
19
Лабораторная работа № 1
ИССЛЕДОВАНИЕ РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ
КАТУШЕК ИНДУКТИВНОСТИ С МАГНИТНЫМИ
СЕРДЕЧНИКАМИ
Цель работы. Исследовать зависимости:
– геометрических размеров (объема) и добротности катушек тороидальной формы от магнитной проницаемости материала сердечника;
– добротности катушек тороидальной формы с различными магнитными проницаемостями материала сердечника от частоты.
Порядок выполнения работы
Объект исследования: катушки индуктивности с магнитными
сердечниками (рис. 1)
Описание лабораторной установки.
В состав лабораторной установки входят:
– измеритель
добротности
(Q-метр Е4–11), инструкция по
Dвн
работе с прибором находится на
Dн
h
рабочем месте;
– пять катушек индуктивноРис. 1
сти с сердечниками тороидальной формы, конструктивно размещенные в двух кассетах, и два добавочных конденсатора.
Индуктивность L катушки тороидальной формы с однородным
сердечником рассчитывается по формуле
S
l ср
L=
µµ0 N 2 S
,
lñð
(1)
где µ0 = 4p∙10–3 мкГн/см – магнитная постоянная; µ – относительная магнитная проницаемость сердечника; N – число витков обмотки. S = h(DнDвн) – площадь сечения сердечника, перпендикулярная
магнитным силовым линиям, где h – осевая длина (толщина сердечника), Dн и Dвн – наружный и внутренний диаметры сердечни20
ка. lср = p(Dн+Dвн)/2 – средняя длина магнитных силовых линий
в сердечнике.
Задание 1. Измерьте на частоте f = 3 МГц добротность Q и емкость настройки в резонанс C катушек 1, 2, 3, пользуясь пп. 1, 2
инструкции по работе с измерителем добротности. Результаты запишите в табл. 1.
Таблица 1
№№
катушек
Dн,
см
Dвн,
см
h,
см
N,
витков
1
2
3
3,2
2,0
1,2
2,0
1,2
0,6
0,6
0,6
0,4
128
18
8
Результаты измерений и вычислений
V,
C,
L,
µ
Q
см3
пФ
мкГн
1. Рассчитайте, исходя из формулы (1), магнитную проницаемость µ сердечников. Индуктивность катушки определите из вы-
L 1 4p2f 2 C.
ражения =
2. Постройте на одном графике зависимости V1, 2, 3 /V1 = ϕ1(µ) и
Q1, 2, 3 /Q1 = ϕ2(µ), где V1, V2, V3 и Q1, Q2, Q3 – соответственно объемы и добротности катушек № 1, 2 и 3. Для оси µ примените логарифмический масштаб. Объем катушки определяется по формуле
V = pDí2h 4.
Задание 2. Измерьте добротность и емкость катушки № 4 на частотах 3, 5, 7, 9, 11, 13, 15 и 17 МГц и катушки № 5 на частотах 3,
5, 7 и 9 МГц.
Примечание: при измерении добротности и емкости катушек на
частотах 3 и 5 МГц следует использовать добавочные конденсаторы
(включаются в гнезда Сх на верхней панели прибора), емкости которых приведены в табл. 2.
Таблица 2
f, МГц
3
5
7
9
11
13
15
17
Q
Катушка № 4 (µ = 55)
C
Cдоб, пФ
1000
270
–
–
–
–
–
–
Q
–
–
–
–
Катушка № 5 (µ = 320)
C
Cдоб, пФ
–
–
–
–
270
–
–
–
–
–
–
–
21
Постройте на одном графике кривые зависимости Q = ϕ3(f) для
двух значений магнитной проницаемости, пометив, каким значением магнитной проницаемости отвечает каждая кривая.
Содержание отчета
1. Цель работы.
2. Перечень используемых приборов.
3. Результаты измерений и расчетов
4. Графики исследованных зависимостей.
5. Объяснение полученных результатов.
22
Лабораторная работа № 2
ИССЛЕДОВАНИЕ КАТУШЕК ИНДУКТИВНОСТИ
С ЭКРАНАМИ
Цель работы. Исследовать влияние диаметра экрана на собственную емкость С0, индуктивность L и добротность Q катушки
индуктивности.
Порядок выполнения работы
Объект исследования: катушка индуктивности с экранами.
Описание лабораторной установки.
В состав лабораторной установки входят:
– измеритель добротности (Q-метр Е4–11), на котором закреплена платформа 1 для экранов
(рис. 1), с исследуемой катушкой индуктивности 2 (катуш- ñúåìíûé
ýêðàí
3
2
ка 3 в данной работе не используется); инструкция по работе
с прибором находится на рабо1
чем месте;
– набор из пяти алюминиеРис. 1
вых цилиндрических экранов.
ВНИМАНИЕ! Тумблер на платформе 1 (рис. 1) должен находиться в положении ВЫКЛ. при выполнении всех измерений.
Задание 1. Исследование влияния диаметра экрана на собственную емкость С0 катушки индуктивности.
– Пользуясь пп. 1, 2 инструкции по работе с измерителем добротности, имеющейся на рабочем месте, определите собственную
емкость С0 катушки без экрана (диаметр экрана равен ¥).
– Определите собственные емкости катушки с экранами №№ 1,
…, 5.
Результаты измерений и последующих расчетов занесите в табл. 2.1.
В таблице 1:
– f1 – резонансная частота колебательного контура, образованного исследуемой катушкой и измерительным конденсатором
Q-метра, емкость которого С1 = 50 пФ;
– С2 – резонансная емкость колебательного контура, образованного исследуемой катушкой и измерительным конденсатором при
частоте f = 0,5f1.
23
Таблица 1
Диаметр
экрана,
d, мм
С1, пФ
Без экрана
¥
50
1
48,8
50
2
33
50
3
31
50
4
5
25
21
50
50
№№
п. п.
Результаты
расчетов
Результаты измерений
f1, МГц
С2, пФ
С0, пФ
– С0 – собственная емкость катушки, которая рассчитывается по
формуле C0 = (C2–4C1)/3.
Задание 2. Исследование влияния диаметра экрана на добротность Q и индуктивность L катушки:
– пользуясь п. 3 инструкции по работе с измерителем добротности, измерьте на частоте 3 МГц индуктивность L и добротность Q
катушки без экрана;
– измерьте на той же частоте индуктивность и добротность катушки с экранами № 1,…, 5.
Результаты измерений и последующих расчетов занесите в табл. 2.
В таблице 2:
– Q – добротность катушки, отсчитанная по шкале Q-метра;
– С – резонансная емкость контура, образованного исследуемой
катушкой и измерительной емкости Q-метра, на частоте 3 МГц;
– L – индуктивность катушки, рассчитывается по формуле
L = 1/4p2f2(C+C0);
– С0 – собственная емкость катушки, полученная при выполнении задания 1.
Таблица 2
№№ экранов
Без экрана
1
2
3
4
5
24
Результаты измерений
Q
С, пФ
Результаты расчетов
L, мкГн
Задание 3. Постройте графики зависимости собственной емкости, индуктивности и добротности исследуемой катушки от диаметра экрана С0 = f(d), L = f(d), Q = f(d).
Содержание отчета
1. Цель работы.
2. Перечень используемых приборов.
3. Результаты измерений и расчетов
4. Графики исследованных зависимостей.
5. Объяснение полученных результатов.
25
Лабораторная работа № 3
ИССЛЕДОВАНИЕ МАГНИТОРЕЗИСТОРА
Цель работы. Исследовать функциональные характеристики
магниторезистора.
Порядок выполнения работы
1. Объект исследования: магниторезистор.
2. Описание лабораторной установки, рис. 1.
В состав лабораторной установки входят:
– источники питания постоянного тока Б5-43, Б5-8 и два блока,
закрепленные на вертикальной стене лабораторного стола;
– исследуемый резистор и органы управления (тумблеры, переключатели), позволяющие собрать электрическую схему, необходимую для измерения характеристик магниторезистора;
– два мультиметра UT83, один из которых (V) предназначен для
измерения падения напряжения на исследуемом резисторе, второй
(A1) – для измерения тока, протекающего через резистор;
– миллиамперметр М4260 (А2) для измерения тока через обмотку электромагнита магниторезистора и лампочку накаливания, освещающую фоторезистор.
Перед началом работы проверьте, чтобы:
– тумблер К1, тумблеры включения приборов Б5-43 и Б5-8,
переключатели мультиметров А1 и V находились в положении
«ВЫКЛ.»;
K3
K1
R5-5,1k
I2
A2
Б5-43
U
U0
V
A1
I0
Б5-8
Рис. 1
26
– цифровые регуляторы V и A на передней панели Б5-43 находились соответственно в положениях 0,00 В и 1,00 A, а регуляторы
напряжения на передней панели Б58 были повернуты до предела
против часовой стрелки.
– тумблер К3 в положении «включено магнитное поле магниторезистора».
Задание. Определите зависимость сопротивления R магниторезистора от магнитной индукции В.
Для этого:
– включите тумблер К1 и с помощью цифрового регулятора V
(прибор Б543) установите напряжение U = 9,99 В и определите падение напряжения U0 на магниторезисторе и ток I0, протекающий
через него, в отсутствии подмагничивающего поля (I2 = 0; В = 0).
Результат запишите в табл. 1.
– затем, включите прибор Б5-8 и проделайте то же самое для
значений магнитных индукций, указанных в таблице; требуемый
ток I2 через обмотку электромагнита устанавливается с помощью
регуляторов напряжения на передней панели Б58, контролируется с помощью амперметра А2 (вся шкала амперметра равна 20 мА).
После выполнения задания:
– регуляторы напряжения на передней прибора Б5-8 поверните
до предела против часовой стрелки и выключите его;
– тумблеры К1 и К3, тумблеры включения приборов Б5-43 и Б58, переключатели мультиметров А1 и V) переведите в положении
«ВЫКЛ.»;
– цифровые регуляторы V и A на передней панели Б5-43 переведите соответственно в положения 0,00 В и 1,00 A, а регуляторы
напряжения на передней панели Б58 поверните до предела против
часовой стрелки;
– шнуры питания приборов Б5-43 и Б5-8 должны быть выключены.
Таблица 1
Результаты расчетов
Результаты измерений
В, Тл
I2, мА
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0
4
8
12
16
20
U0, В
I0, мА
R, Ом
27
Рассчитайте электрическое сопротивление R магниторезистора
и постройте график зависимости R от В.
Содержание отчета
1. Цель работы.
2. Перечень используемых приборов.
3. Результаты измерений и расчетов
4. Графики исследованных зависимостей.
5. Объяснение полученных результатов.
28
Лабораторная работа 4
ИССЛЕДОВАНИЕ ОБЩИХ ПРИНЦИПОВ РАБОТЫ
МАГНИТНОГО УСИЛИТЕЛЯ
Цель работы. Ознакомится с общим принципом работы магнитного усилителя (МУ), исследовать нагрузочные характеристики
МУ, выполненного по простейшей схеме.
Описание лабораторной установки. В состав лабораторной
установки входят:
– исследуемый МУ, включающий два трехстержневых магнитных сердечника, рабочие обмотки W1, W2, W3, W4, обмотки управления Wу, обмотки обратной связи Wос и обмотки смещения Wсм(1,2)
и Wсм(3,4) (рис. 1);
– панель управления, закрепленная на вертикальной стенке лабораторного стола, на которой смонтирован МУ, органы управления (тумблеры, переключатель) и клеммы, к которым подключены
источники питания и измерительные приборы;
– источник переменного напряжения U~ = (10–11) В, 50 Гц
(трансформатор, n = 20) для питания рабочих обмоток;
U~=11В, 50 Гц
K1
K4
(1,2)
A
1,8 кОм
U~
K2
Rн
V
Wсм
K4
Б5-43
(3,4)
A
М5-2
W2
Wy
3 кОм
W4
Wос
K3
1,5 кОм
K3
W3
М- 82
W1
АГАТ
В3-38
Рис. 1
29
– вольтметр В3-38 – для контроля напряжения U~ и измерения
Uн на нагрузке Rн;
– источник постоянного тока Б5-43 для питания обмотки Wу;
– миллиамперметр М-82 для измерения постоянного тока Iу
в обмотке Wу;
– источник постоянного тока «АГАТ» для питания обмоток
Wсм;
– миллиамперметр М42101 для контроля за величиной постоянного тока в обмотках Wсм.
Порядок выполнения работы
1. Проверьте, чтобы до начала измерений органы управления
приборами находились в исходном положении:
– шнуры питания всех (четырех) приборов включены в переходную колодку; клавиша на переходной колодке нажата со стороны знака «0»;
– панель управления: К1 – в положение «ВЫКЛ.», К2 – в положении «U~», К3 – в положении «СХЕМА 1», К4 – в положении
«ВЫКЛ.»;
– источник U~, «АГАТ», Б5-43, В3-38: тумблеры «СЕТЬ» на передней панели – в положении «ВЫКЛ.»;
– АГАТ: тумблеры «8–11 В», «11–15 В» – в положении «8–
11 В»;
– Б5-43: декадный переключатель напряжения – в положении
0,00 В, декадный переключатель тока – в положении 1,00 А;
– В3-38: ручка переключения пределов измерения – в положении 30 В.
1. Включите приборы в сеть; нажмите клавишу на переходной
колодке стороны «I».
2. Выполните задания 1–7.
Задание 1. Снимите нагрузочную характеристику – зависимость
напряжения Uн на нагрузке Rн = 15 кОм от тока Iу в обмотке Wу –
для простейшей схемы («СХЕМА 1», без обратной связи).
Для этого:
1. Тумблеры на передней панели «Источника U~», «В3-38», «Б543» переключите в положение «ВКЛ.»; убедитесь, что напряжение
«Источника U~» (10–11) В (вольтметр В3-38).
2. Проверьте, чтобы тумблер «СЕТЬ» на передней панели «АГАТа» был выключен.
3. Выставьте сопротивление нагрузки Rн = 15 кОм.
30
4. Переключите тумблер К1
Б5-43
U~
в положение «ВКЛ.», при этом
напряжение U~ будет подано на
Wу
МУ.
W1
5. Переключите тумблер К2
Rн
в положение Uн;
А
6. Переключите предел измеW2
рения вольтметра В3-38 на 10 В.
В результате переключений,
выполненных до начала измеV
рений, а также перечисленных
в пп. 1–5 «Задания 1», схема рис.
Рис. 2
1 превращается в простейшую
схему МУ, рис. 2, наглядно иллюстрирующую принцип работы любого МУ.
Снимите зависимость напряжения Uн на нагрузке Rн от тока Iу
в обмотке управления. Ток изменяется с помощью декадного регулятора напряжения источника Б5-43, измеряется миллиамперметром М-82 (вся шкала – 6 мА). Результаты измерений запишите
в табл. 1.
Таблица 1
Iу, мА
0,0
0,4
0,8
1,2
1,6
2,0
3,0
Кu
Rн, кОм
15
Uн,В
10
5
3
После окончания измерений установите декадный переключатель напряжения Б5-43 в положение 0,00 В.
Задание 2. Снимите нагрузочные характеристики для Rн = 10, 5
и 3 кОм.
Для этого:
1. Выставьте требуемое сопротивление Rн.
2. Повторите пп. 6 и 7 задания 1.
3. Приведите органы управления приборов в положения, в которых они находились до начала измерений.
Задание 3. По результатам измерений постройте на одном
графике нагрузочные характеристики МУ для Rн = 15, 10, 5 и
3 кОм.
31
UH
U H ( max
)
U H (0 )
I y ( max
0
Iy
)
Рис. 3
Задание 4. Определите графическим путем (рис. 3) предельные
значения тока в обмотке управления Iу(мах), при которых сохраняется линейность нагрузочных характеристик.
Задание 5. Рассчитайте коэффициенты усиления по напряжению Ку, для Rн = 15, 10, 5 и 3 кОм; результаты запишите в табл. 1.
Êó =
UH(max) − UH(O)
UÓ(max)
,
где UН(0) – напряжение на нагрузке при Iу = 0; Uн(max) – напряжение
на нагрузке при Iу = Iу(max); Uу(max) = Iу(max)· rу – максимальное напряжение входного сигнала, при котором сохраняется линейность
усиления; rу = 130 Ом – омическое сопротивление обмотки управления.
Задание 6. Постройте на одном графике кривые зависимости КU
и Iу(max) от сопротивления нагрузки Rн.
Содержание отчета
1. Результаты измерений и расчетов, сведенные в табл. 1.
2. Нагрузочные характеристики МУ (задание 3). Кривые зависимости КU и Iу(max) от сопротивления нагрузки (задание 6).
3. Общий принцип работы МУ. Краткие пояснения к полученным графикам.
32
Лабораторная работа 5
ИССЛЕДОВАНИЕ ОСНОВНЫХ СХЕМ МАГНИТНОГО
УСИЛИТЕЛЯ
Цель работы. Ознакомиться с основными схемами магнитного
усилителя (МУ); их сравнительными достоинствами и недостатками.
Описание лабораторной установки. В состав лабораторной
установки входят:
– исследуемый МУ (см. рис. 1, лабораторная работа № 4);
– панель управления, закрепленная на вертикальной стенке лабораторного стола, на которой смонтирован МУ, органы управления (тумблеры, переключатель) и клеммы, к которым подключены
источники питания и измерительные приборы;
– источник переменного напряжения U~ = (10–11) В, 50 Гц
(трансформатор, n = 20) для питания рабочих обмоток;
– вольтметр В3-38– для контроля напряжения U~ и измерения
Uн на нагрузке Rн;
– источник постоянного тока Б5-43;
– для питания обмотки Wу;
– миллиамперметр М-82 для измерения постоянного тока Iу
в обмотке Wу;
– источник постоянного тока «АГАТ» для питания обмоток
Wсм;
– миллиамперметр М42101 для контроля за величиной постоянного тока в обмотках Wсм.
Порядок выполнения работы
1. Проверьте, чтобы до начала измерений органы управления
приборами находились в исходном положении:
– панель управления: К1 – в положение «ВЫКЛ.», К2 – в положении «U~», К3 – в положении «СХЕМА 1», К4– в положении
«ВЫКЛ.».
– Б5-43, «АГАТ», «Источник U~», В3-38: тумблеры «СЕТЬ» на
передней панели – в положении «ВЫКЛ.»;
– Б5-43: – декадный переключатель напряжения – в положении
0,00 В, декадный переключатель тока – в положении 1,00 А;
– «АГАТ»: тумблеры «8–11 В – 11–15 В» – в положении «8–11 В»;
– В3-38: ручка переключения пределов измерения – в положении 30 В.
33
2. Включите «Источник U~», «Б5-43», «АГАТ», «В3-38» в сетевые розетки.
3. Выполните последовательно задания 1–4.
Задание 1. Снимите нагрузочную характеристику
– зависимость напряжения Uн на нагрузке Rн от тока Iу в обмотке Wу – для МУ «СХЕМА 1», без обратной связи, Rн = 15 кОм.
– Для этого:
1. Выставьте сопротивление нагрузки Rн = 15 кОм.
2. Проверьте, чтобы тумблер «СЕТЬ» на передней панели «АГАТа» был выключен. Тумблеры на передней панели «Источника U~»,
«В3-38»,»Б5-43» переключите в положение «ВКЛ.»; убедитесь,
что напряжение «Источника U~» = (10–11) В (вольтметр В3-38).
3. Переключите тумблер К1 в положение «ВКЛ.», при этом напряжение U~ будет подано на МУ.
4. Переключите тумблер К2 в положение Uн;
5. Переключите предел измерения вольтметра В3-38 на 10 В.
В результате переключений,
выполненных до начала измеБ5-43
U~
рений, а также перечисленных
в пп. 1–5 (см. лабораторная рабоWу
та 4: задание 1, рис. 1), исходная
W1
схема превращается в простейRн
шую схему МУ, рис. 1, наглядно
А
иллюстрирующую принцип работы любого МУ.
W2
Снимите зависимость напряжения Uн на нагрузке Rн от тока
Iу в обмотке управления. Ток изV
меняется с помощью декадного
регулятора напряжения источРис. 1
ника Б5-43, измеряется миллиамперметром М-82 (вся шкала – 6 мА). Результаты измерений, полученные при выполнении
задания 1 и всех остальных заданий, запишите в табл. 1.
После окончания измерений установите декадный переключатель напряжения Б5-43 в положение 0,00 В, а переключатель В338 в положение 10 В.
7. По результатам измерений постройте нагрузочную характеристику МУ и для линейного участка определите коэффициент
усиления по напряжению:
34
Таблица 1
Iу, мА
0,0
0,4
0,8
1,2
1,6
2,0
3,0
Ку
Примечание
«Схема 1», без обратной
связи, Rн = 15 кОм
«Схема 1», с обратной
связью, Rн = 15 кОм
Uн,В
«Схема 2», без обратной
связи, Rн = 15 кОм
«Схема 2», с обратной
связью, Rн = 15 кОм
Êó =
UH(max) − UH(O)
UÓ(max)
,
где UН(0) – напряжение на нагрузке при Iу = 0; Uн(max ) – напряжение
на нагрузке при Iу = Iу(max); Uу(max) = Iу(max)· rу – максимальное напряжение входного сигнала, при котором сохраняется линейность
усиления; rу = 130 Ом – омическое сопротивление обмотки управления.
Задание 2. Снимите нагрузочную характеристику МУ «СХЕМА
1», с обратной связью, Rн = 15 кОм.
Для этого:
1. Тумблер К4 поставьте в положение «ВКЛ.»; при этом остается
простейшая схема МУ, но с обратной связью, рис. 2.
2. Повторите пп. 6, 7,8 предыдущего задания.
3. Тумблер К4 поставьте в положение «ВЫКЛ.».
Задание 3. Снимите нагрузочную характеристику МУ «СХЕМА
2», без обратной связи, Rн = 15 кОм.
Для этого:
1. Тумблер К3 поставьте в положение «СХЕМА 2»; при этом схема рис. 1 превращается в мостовую схему МУ без обратной связи,
рис. 3 – современную схему, лишенную недостатков простейшей
«СХЕМЫ 1».
2. Выставьте сопротивление нагрузки Rн = 15 кОм.
3. Тумблер на передней панели «АГАТа» поставьте в положение
«СЕТЬ» и установите ток в обмотке смещения 10 мА.
4. Повторите пп. 6, 7, 8 задания 1.
35
Б5-43
U~
Wос Wу
W1
Rн
Hос
Hy
А
W2
V
Рис. 2
Б5 -43
U~
W1
Rн
W3
Wу
Wсм
A
W4
W2
АГАТ
Hсм
A
Hу
V
Рис. 3
Задание 4. Снимите нагрузочную характеристику МУ «СХЕМА
2», с обратной связью, Rн = 15 кОм.
Для этого:
1. Тумблер К4 поставьте в положение «вкл.»; при этом остается
мостовая схема МУ, но с обратной связью.
2. Повторите пп. 6, 7, 8 задания 1.
Содержание отчета
1. Результаты измерений и расчетов, сведенные в табл. 1.
36
2. Нагрузочные характеристики МУ на графиках, выполненных
в одном и том же масштабе, отдельно для «СХЕМЫ 1» (задания 1
и 2) и «СХЕМЫ 2» (задания 3 и 4).
3. Объяснение недостатков «СХЕМЫ 1» и средств, с помощью
которых эти недостатки устранены в «СХЕМЕ 2».
4. Перечень изменений в схеме рис. 1, которые превращают ее
в мостовую схему МУ с обратной связью.
5. Краткие пояснения к полученным графикам.
37
Лабораторная работа 6
ИССЛЕДОВАНИЕ ИСКАЖЕНИЯ ФОРМЫ ПЕРЕДАВАЕМОГО
НАПРЯЖЕНИЯ ИМПУЛЬСНЫМ ТРАНСФОРМАТОРОМ
Цель работы. Исследовать влияние импульсной магнитной проницаемости μΔ сердечника, собственной емкости С0 и индуктивности рассеяния LS обмоток трансформатора на передачу вершины и
переднего фронта импульса.
При подаче на импульсный трансформатор прямоугольного импульса форма импульса претерпевает искажение. Искажение переднего фронта характеризуется отношением Δτ/τ, где Δτ –
длительность переднего фронта, τ – длительность подаваемого на
трансформатор прямоугольного импульса; искажение вершины –
отношением ΔU/Um, где ΔU – спад вершины импульса, Um – напряжение прямоугольного импульса, рис. 1 (1 – идеальный прямоугольный импульс, 2 – импульс, искаженный трансформатором).
Описание лабораторной установки. В состав лабораторной
установки входят:
– генератор прямоугольных импульсов Г5-63;
– осциллограф CI-65A;
– генератор высокочастотных синусоидальных колебаний Г4I8А;
– комплект импульсных трансформаторов, основные конструктивные параметры которых приведены в табл. 1;
– лабораторный макет, схема которого приведена на рис. 2.
ΔU
1
2
Um
Δτ
τ
Рис. 1
38
2 П4
С1 С2 С3 С4 С5
Индикатор
R1
П3
1
4
2
П1
3
5
6
8
7
9
10
П2
Тр
11
R2
Рис. 2
Таблица 1
Импульсный
трансформатор
Размеры сердечника, мм *
Марка материала
сердечника **
№1
№2
№3
32 х 20 х 6, 5*
32 х 20 х 6, 5*
32 х 20 х 6, 5*
Феррит 400 НН
Феррит 400 НН
Феррит 100 НН
Число витков обмоток
N1
N2
65
65
65
65
65
65
* Первая цифра – внешний диаметр D кольцевого сердечника, мм; вторая – внутренний диаметр d, мм; третья – толщина сердечника h, мм.
** Цифры указывают номинальное значение начальной магнитной проницаемости μ; первая буква – частотный диапазон (Н – низкочастотные,
сотня кГц и ниже); вторая – сорт феррита (Н – никель цинковые).
Порядок выполнения работы
1. Исследование влияния импульсной магнитной проницаемости
сердечника μΔ на искажение вершины прямоугольного импульса.
Сравнительному исследованию подлежат два трансформатора № 1 и № 3), отличающиеся только материалом сердечника (см.
табл. 1).
Задание 1. Измерьте импульсную магнитную проницаемость μΔ
материала сердечников трансформаторов № 1 и № 3.
39
Используемые приборы:
– генератор прямоугольных импульсов Г5-63;
– осциллограф С1-65 А.
Внимание: проверьте, чтобы до начала измерений органы управления приборами находились в исходном положении:
– шнуры питания всех (трех) приборов включены в переходную
колодку; клавиша на переходной колодке нажата со стороны знака
«0»;
– генератор Г5-63, осциллограф С1-53: тумблеры включения –
в положении «ВЫКЛ.»;
– генератор Г4-18А (используемый в задании № 3): тумблер
включения «ВКЛ.» и тумблер анодного напряжения «ВКЛ.» ГЕН.
ВЧ» в положении «ВЫКЛ.».
Включите приборы в сеть: нажмите клавишу на переходной колодке со стороны знака «I». Подготовьте приборы к измерению и
выполните измерения.
1. Переключатели П1 и П3 на лабораторной макете установите
в верхнее положение; переключатель П2 – в нижнее положение;
переключатель П2 – в нижнее положение; переключатель П4 –
в положение R6 = 500 Ом.
2. Выход «60Vmax» генератора Г5-63 с помощью высокочастотного кабеля соедините с гнездами I и 3 («землей») макета; вход –
«Усилителя» осциллографа – с гнездами 10 и 11 («землей») макета.
В гнезда 6–7, 8–9 включите перемычку П-Тр, имеющуюся на рабочем месте.
3. Убедитесь, что на генераторе Г5-63 выставлены: период повторения Т = 200 мкс, временной сдвиг D = 2 мкс, длительность
импульса τ = 3 мкс, амплитуда импульса А = 0,67 В, а на осциллографе С1-65 соответственно – ручка плавной регулировки усилением совмещена со знаком, ступенчатая регулировка усилением
V/дел. = 0,1 V/дел, ступенчатая регулировка длительности развертки «время/дел.» = 0,2 мкс/дел.
4. Включите генератор Г5-63 и осциллограф С1-65; пользуясь
ручками регулировки, добейтесь, чтобы прямоугольный импульс
располагался в центре экрана.
5. Зарисуйте полученное изображение «идеального» прямоугольного импульса.
6. Снимите перемычку П-Тр и в гнезда 6–7, 8–9 включите трансформатор № 1.
7. Зарисуйте искаженный импульс на том же рисунке, который
был получен а п. 5, изменив масштаб полученного импульса таким
40
образом, чтобы вершины идеU(R 3)
ального и искаженного импульU(R 3) max
сов совпали (как показано на
рис. 1). Для точных расчетов Um
и ΔU, необходимых для опреде3 мкс
ления μΔ, студент получит в конце занятия необходимые осцилτ
лограммы.
8. Отключите
трансформаРис. 3
тор № 1 и на его место включите
трансформатор № 3, и, аналогично предыдущему пункту, зарисуйте искаженный импульс на том же самом рисунке.
9. Измерьте максимальный ток I1(max) в первичной обмотке трансформатора № 3. Для этого проводник, ранее включенный клемму 10, переключите в клемму 5. Ручку ступенчатой регулировки усиления осциллографа установите на отметку 0,02
В/дел.
10. На экране появится кривая изменения в течение 8 импульса
напряжения на сопротивлении R3 = 20 Ом (см. рис. 2). Зарисуйте
полученную кривую, рис. 3, и определите U(R3) max.
Рассчитайте I1(max) = U(R 3) max ,
20
Аналогично поступите с трансформатором № 1, точные расчеты
I1(max) для трансформаторов № 1 и № 3 – по осциллограммам.
11. Проводник, включенный в клемму 5, верните в клемму 10,
ручку ступенчатой регулировки усиления осциллографа установите снова на отметку 0,1 В/дел.
12. Рассчитайте для трансформаторов № 1 и № 3 величины Um, ΔU, I1(max) и намагничивающий ток в конце импульса
U − DU
I0(max) = I1(max) – σ , где σ = m
, А, – поправочный коэффиR6
циент, учитывающий случай, когда вторичная обмотка замкнута
на резистор R6, с сопротивлением не равным ∞ (в схеме, рис. 2,
R6 = 500 Ом). Результаты занесите в табл. 2.
Таблица 2
№ трансформатора
Um, В
ΔU, В
I1(max), А
I0 (max), А
1
3
41
13. Вместо трансформатора № 1 в гнезда 6–7, 8–9 включите
трансформатор № 2. Отдельно зарисуйте импульс, искаженный
трансформатором № 2. Рисунок потребуется в задании 2. Выключите осциллограф, отключите вход «Усилителя» осциллографа от
клемм 10–11 макета и выход генератора Г5-63 от клемм 1–3.
14. Рассчитайте импульсную магнитную проницаемость μΔ материала сердечников трансформаторов № 1 и № 3:
μΔ = DB ,
Hm
где
=
DB
100 Um τ
δ , Гс – изменение магнитной индукции в сердечNS
нике за импульс;
τ = 3 мкс;
N = 65 – число витков обмотки;
S = 0,39 см2 – площадь сечения кольцевого сердечника;
p
δ = – поправочный коэффициент, учитывающий отклонение
p0
импульса от прямоугольной формы; p0 – Um τ – площадь идеального прямоугольника с амплитудой Um в координатной плоскости
τ

U– τ ; p = Um τ − DU  – площадь реального импульса, учитываю2


щая спад вершины импульса;
Hm =
0,4 p I0(max) N
 ñð
, Э – напряженность магнитного поля в кон-
це импульса;
I0(max) – намагничивающий ток в конце импульса (см. п. 12);
N = 65 – число витков обмотки;
 ñð = 8,16 см – средняя длина магнитной силовой линии в сердечнике.
2. Исследование влияния С0 и Ls на искажение переднего фронта прямоугольного импульса.
Сравнительному исследованию подлежат два трансформатора
(№ 1 и № 2), отличающиеся только размещением обмоток: в трансформаторе № 1 первичная и вторичная обмотки разнесены (намотаны на противоположных половинах кольцевого сердечника);
в трансформаторе № 2 обмотки намотаны одна на другую.
42
Задание 1. Сравните искажение переднего фронта Dτ / τ для
трансформаторов № 1 и № 3.
1. Искажение переднего фронта Dτ / τ для трансформаторов № 1
и № 3 определите из осциллограмм реального импульса.
Задание 2. Измерьте собственные емкости С0 и индуктивности
рассеяния Ls трансформаторов № 1 и № 2.
Используемые приборы:
– генератор Г4-18А;
– лабораторный макет с выносным индикатором резонанса, рис. 2.
ВНИМАНИЕ: проверьте, чтобы до начала измерений органы
управления приборами находились в исходном положении:
– генератор Г4-18А: тумблер «ВКЛ.» – в положение «ВЫКЛ.»;
тумблер анодного напряжения генератора «ВКЛ.»-ГЕН.ВЧ» – в положение «ВЫКЛ.»; тумблер «УРОВЕНЬ «К»-М%» – в положение
«УРОВЕНЬ «К»; переключатель рода работ в положении «ВНЕШ.
МОД»; «ручка μV» – в крайнее правое положение; в гнездо «0,1–
1V» – вставлен штекер с высокочастотным кабелем;
– лабораторный макет: тумблеры П1, П2, П3 – в нижнем положении; переключатель П4 – в положении 2.
1. Гнезда 1 и 2 лабораторного макета замкните металлической
перемычкой П-Вх, имеющейся на рабочем месте;
2. Подготовьте приборы к измерению и выполните измерения.
Трансформатор № 1 включить в гнезда 6–7, 8–9; выход «0,1–
1V» генератора Г4-18А с помощью высокочастотного кабеля соединить с гнездами 1–2, закороченными перемычкой, и гнездом 3
(«землей») лабораторного макета. Установить выходное напряжение генератора 0,5 В; для этого совместить цифру «50» на прозрачном лимбе ручки «ВЫХОД» с точкой «К».
3. Тумблер питания «ВКЛ.~» поставьте в положение «ВКЛ»,
при этом должна загореться индикаторная лампочка; через 2–3 минуты включите тумблер анодного напряжения «ВКЛ. – ГЕН.ВЧ» и
дайте прибору прогреться 15 минут.
4. Измерьте для трансформатора № 1 резонансную частоту fpo.
Для этого в соответствии с таблицей 2 установите диапазон Ш (переключатель «ДИАПАЗОНЫ МНz») и, изменяя частоту с помощью
ручки f, добейтесь максимального отклонения стрелки индикатора
резонанса. При резонансе стрелка должна отклоняться более, чем
на половину шкалы. В случае необходимости выходное напряжение генератора может быть изменено ручкой «ВЫХОД». Результат
fpo запишите в табл. 2.
43
Таблица 2
С1 = 23,6 пФ С2 = 58,1 пФ
Импульс- Ш диаШ диапазон
Ш
ный
диапа- СТ1, пазон СТ2,
трансфор- fpo,
fp2,
пФ
МГц зон fp1, пФ
матор
МГц
МГц
№1
Импульс- V диапазон
ный
трансфор- fpo,
МГц
матор
№2
С3 = 135 пФ
С4 = 270 пФ
С3 = 135 пФ
П диапазон
fp3,
МГц
С0, Ls,
СТ3, пФ мкГн
пФ
С5 = 330 пФ
IV
IV
IV
С0, Ls,
диапа- СТ1, диапа- СТ2, диапа- СТ3, пФ мкГн
зон fp3, пФ зон fp4, пФ зон fp5, пФ
МГц
МГц
МГц
Рассчитайте собственную емкость С0 и индуктивность рассеяния Ls, трансформаторов № 1 и № 2.
Примечание: в случае, если задано 2 или 3 варианта емкости Сдоб
для измерения fpi, то собственная емкость трансформатора берется
как среднее арифметическое из рассчитанных значений С0.
5. Переключателем П4 подключите к вторичной обмотке трансформатора добавочный конденсатор Сдоб (по указанию преподавателя), установите соответствующий частотный диапазон (таблица
2), и аналогично п. 3 измерьте резонансную частоту.
6. Отключите трансформатор № 1 и на его место (в гнезда 6–7,
8–9) включите трансформатор № 2.
7. Проделайте с трансформатором № 2 операции, указанные
в п. 4.
8. Выключите генератор Г4-18А и отсоедините его от макета.
Уберите перемычку с гнезда 1–2.
9. Рассчитайте собственную емкость С0 и индуктивность рассеяния Ls для трансформаторов № 1 и № 2 по следующим формулам и
результаты занесите в табл. 2.
С0 = Ls = 44
Cäîá
(fpo / fpi )2 − 1
− Cèp , пФ
106
2
4p fpo
(C0 + Cèð )
, мкГн;
Таблица 4
Импульсный
трансформатор
Dτ / τ
100%
ΔU/U 100%
(С0+Сосц)Ls,
пФ мкГн
D В, Гс Нm, Э
μΔ
№1
№2
№3
Сдоб = 20 пФ – входная емкость индикатора резонанса; fpo –
в МГц, С0 и Сир Ср – в пФ.
Итоговые результаты лабораторной работы занесите в табл. 4.
45
СОДЕРЖАНИЕ
Введение...................................................................................
3
Правила оформления текстовых документов по ГОСТ 7.32 – 2001.....
4
Правила оформления отчетов......................................................
5
Методические указания по подготовке к работам............................
Катушки индуктивности........................................................
Собственная емкость..............................................................
Экраны катушек...................................................................
Сердечники катушек.............................................................
Магнитный усилитель............................................................
Магниторезисторы.................................................................
6
7
10
10
11
13
17
Лабораторная работа № 1. Исследование радиотехнических
параметров катушек индуктивности с магнитными
сердечниками............................................................................
20
Лабораторная работа № 2. Исследование катушек индуктивности
с экранами................................................................................
23
Лабораторная работа № 3. Исследование магниторезистора.............
26
Лабораторная работа 4. Исследование общих принципов работы
магнитного усилителя ................................................................
29
Лабораторная работа 5. Исследование основных схем магнитного
усилителя ............................................................................ 33
Лабораторная работа 6. Исследование искажения формы
передаваемого напряжения импульсным трансформатором.............
38
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
5 258 Кб
Теги
nefedova
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа