Презентація  посібника для вчителів фізики: 

«Саморобні прилади з фізики» 

VI частина  Перелік статей

•      Вступ;

•      Правила безпеки при роботах з електросхемами;                                              

•      Стенд для лабораторних робіт з змінним струмом;

•      Демонстраційний перетворювач напруги на блокінг- генераторі;

•      Демонстраційний цифровий вольтметр-амперметр постійного струму;

•      Стенд для лабораторної роботи - дослідження трансформаторів.

                                                    Вступ 

   Для успішного викладання фізики в школі необхідно добре обладнаний кабінет. На жаль, далеко у всіх школах є повний комплект необхідного обладнання. Деякі прилади  можливо замінити саморобними, зробленими з підручних матеріалів на уроках праці, або в гуртку юних електротехніків, радіоконструкторів. Автор пропонує 4 прилади, які можуть бути корисними при проведенні дослідів з фізики. 

Для  безпеки учнів при виконанні робіт в гуртках і проведенні лабораторних робіт в школі їм необхідно вивчити «Правила безпеки при роботах з електросхемами», що також приведено і в цій частині посібника для вчителів фізики.

              Правила безпеки при роботах з електросхемами

  Виготовляючи, налагоджуючи і експлуатуючи електронні саморобки, вам постійно доводиться мати справу з електричним струмом. Не думайте, що це завжди безпечно – щонайменше недотримання запобіжних заходів може призвести до неприємних і навіть трагічних наслідків. Ось чому важливо знати про дії струму на організм людини і робити все можливе, щоб уникнути ураження струмом.

   Встановлено, що струм близько 0,01 А вже викликає роздратування нервової системи і навіть судоми. Якщо ж через тіло людини протікає струм 0,03 А,  м'язи можуть втратити здатність скорочуватися, а при струмі 0,06 А настає параліч дихальних органів. Смертельним вважається струм близько 0,1 А. Розрахунковий опір людини 1 кОм, тобто вже при напрузі 100 В через людину буде протікати струм, згідно закону Ома: 100 В : 1000 Ом = 0,1 А; це вже смертельно небезпечний  струм. Електромережа не признає неуважного відношення до себе. Пол в кімнаті, не повинен бути сирим, чи вологим.

   Відомо, що при однаковій напрузі через провідник з меншим опором потече більший струм, і навпаки. Так і з людиною. У одного електричний опір тіла великий і його може тільки злегка «вдарити» при торканні проводу, що перебуває під напругою. А іншого, в цьому випадку паралізує.

   Опір тіла людини залежить від вологості його шкіри в даний момент, стану нервової системи, втоми і може змінюватися в сотні разів, коливаючись від одиниць до сотень кілоом. Варто людині з мінімальним опором потрапити під напругу електромережі 220 В, підведену до розеток, – і через його тіло потече струм, який виявиться смертельним. Безпечним для людини в звичайних кімнатних умовах буде будь-яке джерело напругою до 42 В.    Має значення і шлях струму. Найбільш небезпечний – від руки до руки, оскільки він пролягає через область серця. Менш небезпечний шлях права рука – ліва нога, а потім права рука – права нога. Недарма досвідчені інженери, перевіряючи установки з небезпечним для життя напругою, намагаються тримати ліву руку вільної або зовсім прибирати її в кишеню, працюючи в напруженій ситуації тільки правою рукою.

   Хоча на зміну ламповим конструкцій з високовольтною анодною напругою давно прийшла транзисторна електроніка з низьковольтним живленням, небезпека ураження електричним струмом залишилася. Ви піддаєтеся їй, включаючи паяльник, випрямляч, потужний підсилювач, або іншу подібну конструкцію. Уже тут потрібно пам'ятати про запобіжні заходи та тримати вилку так, щоб пальці не торкалися її металевих штирів. А якщо мережевий шнур в якомусь місці перетерся і проглядає мідна жила, терміново оберніть це місце ізоляційною стрічкою або замініть шнур.

    У конструкціях, що живляться від мережі через роздільний понижувальний трансформатор, небезпечна напруга буде на виводах вимикача і утримувача запобіжника, а також виводах первинної обмотки трансформатора. Ці виводи після підпайки провідників захистіть відрізками полівінілхлоридної трубки або ізоляційною стрічки. Вимикач живлення в цьому випадку повинен бути розрахований на мережеву напругу і споживаний конструкцією струм і мати хорошу ізоляцію між виводами і ручкою (у більшості вимикачів-перемикачів вона металева). Природно, що жоден з мережевих дротів не повинен з'єднуватися із загальним проводом конструкції.

    Особливу небезпеку становлять конструкції з безтрансформаторним живленням, або конструкції, в яких за умовами роботи загальний провід гальванічно з'єднаний з мережею (наприклад, в деяких пристроях на мікросхемах, що містять цифрові газорозрядні індикатори). У цьому випадку корпус конструкції бажано виготовити з ізоляційного матеріалу, а якщо це неможливо, ретельно ізолювати від металевого корпусу змінні резистори, перемикачі та інші органи управління (їх можна встановлювати на монтажній платі всередині корпусу, а до осі прикріплювати подовжувальну втулку з ізоляційного матеріалі). На них треба надіти ручки з хорошого ізоляційного матеріалу. Гвинти кріплення ручок не повинні виступати назовні. Металевий корпус ні в якому разі не можна поєднувати з загальним проводом конструкції. Монтаж всередині подібного корпусу повинен бути виконаний так, щоб ні один із виводів деталей або кінців з'єднувальних провідників не міг торкнутися корпусу.

   Перевіряючи в мережних конструкціях режим роботи деталей, підключайте один з щупів вимірювального приладу до загального проводу заздалегідь, до включення конструкції в мережу (особливо це відноситься до пристроїв з безтрансформаторним живленням). При необхідності замінити деталь, або перепаяти провідники знеструмленої конструкції- виймайте вилку з розетки, а також розряджайте конденсатори великої ємності в ланцюгах живлення і конденсатори, що виконують роль гасячих резисторів в безтрансформаторному випрямлячі, через резистор опором 5 ... 10 кОм.

   Перед початком включення саморобки в електромережу перевірте омметром якість ізоляції між штирями мережевої вилки і корпусом конструкції. Якщо воно менше 10 МОм при якій-небудь (перевірте обидві!) полярності підключення щупів омметра, відшукайте несправність і усуньте її. Таку перевірку робіть періодично.

   Під час роботи конструкції не торкайтеся руками до виводів її деталей, а якщо потрібно підібрати режим, наприклад, підстроювальним резистором, користуйтеся викруткою з хорошою ізоляційної ручкою. В жодному разі не втомленим – електричний опір такого організму знижений, увага ослаблена, реакція уповільнена. Конструкцію, яку необхідно вмикати в електромережу; вирпрямлячі, понижувальні трансформатори та інше, необхідно використовувати в закритому вигляді. Радіоаматорам- початківцям бажано робити конструкції з живленням від низької напруги 1,5….24 В і живити їх від батарей, або випрямлячів. Обережно треба поводитись з трансформаторами: вони можуть підключатись до низької напруги, а на вторинних обмотках може наводитись висока напруга- сотні і тисячі вольт. Бережно потрібно поводитись з акумуляторами і не допускати короткого замикання його вихідних клем- при цьому може виникнути великий струм і провідник може вмить розплавитись і перегоріти.

         При роботі з електропаяльником необхідно бути обережним і уникати доторкання до стержня електропаяльника, температура якого може досягати 280…300  градусів. Корпус електропаяльника також має високу температуру.

Електропаяльник необхідно ставити на підставку з негорючого матеріала. Слід уникати доторкання до розплавленного припоя, чи каніфолі. Якщо при необачному користуванні трапився опік, то уражену ділянку необхідно змастити мазью- бальзамом «Рятівник». При розпаюванні плат від різної радіоапаратури припой з жала паяльника слід струшувати обережно, щоб не розбризгувався і не попав на руку.  Електропаяльники в робочому стані необхідно тримати в зоні впливу витяжної вентиляції. Необхідно користуватись електропаяльниками на 36 В, або 42 В.  Саморобні конструкції необхідно підключати до джерел живлення через запобіжники. Перед подачею напруги на зібрану схему слід ще раз перевірити првильність з’єднань, перевірити правильність підключення полярності оксидних конденсаторів. В разі неправильного підключення оксидних конденсаторів- вони можуть «взірватись»; при подачі живлення на схему.    

   Дотримання Правил безпечної роботи, є обов'язковим для кожного радіоаматора, учня. Увага- залог успіху.

 Література:

1.   Правила безпеки експлуатації електроустановок споживачів.

http//do.sc.ukrteltcom.net/LearningSpace5/Courses/Oxorona/selfaccess/pbee. 

2.   Правила технічної експлуатації споживачів електроустановок.

Затверджено: Наказ Міністерства палива та енергетики України 25.07.2006 № 258.

3.   Правила безпечної експлуатації електроустановок споживачів  Затверджено: Наказ Держнаглядохоронпраці від 09.01.98 № 4

4.   Співавтори: Бабин Дмитро Святославович, вчитель фізики;  Бабин   

        Святослав  Філатович, керівник гуртка«Радіоконструкторів»; смт 

        Кельмеці, Чернівецької обл., Україна;

        Інтернет  «Правила безпеки при роботах з електросхемами»

            Співавтори: Бабин Дмитро Святославович, Бабин Святослав Філатович             https://radioelectronics-ur5ydn.jimdofree.com/  

                 Стенд для лабораторних робіт з змінним струмом

   Якщо в школі (професійному  училищі) недостатньо обладнання для проведення лабораторних робіт, то можливо виготовити стенд для лабораторних робіт з колами змінного струму на факультативних заняттях, гуртках радіоконструкторів - з широко розповсюджених радіоелементів.     Для виготовлення блока живлення (БЖ) на 6 В використано силовий трансформатор від фільмоскопа, а замість нього можливо взяти любий понижувальний силовий трансформатор потужністю 20…30 Вт, що має  вихідну напругу 6 В. Для захисту блока живлення при короткому замиканні вихідних клем в БЖ послідовно ввімкнена електролампа розжарення на 6 В потужністью 15 Вт; яка також взята з фільмоскопа. Таким чином БЖ безпечний для експлуатації: напруга 6 В безпечна, а у випадку неправильно зібраної схеми з закорочуванням   (і таке трапляється) буде світити електролампа HL2. Світлодіод HL1- індикатор підключення БЖ до електромережі. Принципова електрична схема БЖ приведена на рис. 1. Силовий трансформатор захищено запобіжником FU1 на 0,5 А. Зовнішній вигляд БЖ показано на фото 1, фото 2. Використовуючи БЖ на 6 В можливо провести  лабораторно-практичні роботи з змінним струмом, частотою 50 Гц.

•       Вимірювання струму      в       ланцюгу   з        різними    котушками індуктивності.

•       Вимірювання струму в ланцюгу з конденсаторами різної ємності.  Перевірка закону Ома при послідовному з’єднанні активного,  індуктивного та ємнісного опорів. Отримання резонансу  напруг

•       Паралельне з’єднання індуктивного та ємнісного опорів.  Отримання     резонансу струмів.

  Для вимірювання струму в ланцюгу з котушкою індуктивності необхідно зібрати схему показану на рис. 2. Після вимірювань можливо зробити розрахунки струму в ланцюгу з котушкою індуктивності і порівняти з виміряними даними, якщо відомо активний опір котушки і її індуктивність за відомими формулами (закон Ома для кола змінного  струму):

 де I- струм в колі 

                                        U- напруга прикладена до котушки

                                        Z- повний опір кола

                                        R_L- активний опір котушки індуктивності

                                        Х_L- реактивний опір котушки індуктивності                         де п- 3,14

                                              f- частота 50 Гц

                                              L- індуктивність котушки 

    Для вимірювання струму в ланцюгу з конденсатораминеобхідно зібрати схему показану на 

рис. 3. Батарея конденсаторів розміщена на роз’ємі типу РП14-16Л. Після вимірювань можливо зробити розрахунки струму в ланцюгу з конденсаторами різної ємності і порівняти з виміряними даними за відомими формулами (закон Ома для кола змінного  струму):

                            де I- струм в колі 

                                        U- напруга прикладена до конденсатора

                                        Z- повний опір кола

                                        Х_с- реактивний опір конденсатора                                     п- 3,14

                                             f- частота 50 Гц

                                             С- ємність конденсатора

 Якщо f = 50 Гц, С =1 мкФ = 1 х 10^-6 Ф, то

    Для конденсаторів іншої ємності розрахувати величину Х_С можливо поділивши реактивний опір 3184,7 Ом на ємність конденсатора в мкФ. Так для прикладу: конденсатор ємність 0,1 мкФ,

 Х_С =  31847 Ом; і т. д. Це значно спрощує розрахунки. Знаючи реактивний опір конденсатора Х_С по закону Ома легко розрахувати струм в колі конденсатора.

  Для виявлення резонансу і перевірки закону Ома при послідовному з’єднанні активного,  індуктивного та ємнісного опорів. Отримання резонансу  напруг, необхідно зібрати схему; приведену на рис. 4. Батарея з 5-ти конденсаторів зібрана на роз’ємі типу РП14-16Л. В принципі можливо використати і роз’єм іншого типу. Можливо до котушки підключити 1…5 конденсаторів, що дозволяє мати різні варіанти  загальної ємності (при паралельному включенні конденсаторів ємність їх додається). Як відомо з теорії, резонанс напруг можливо виявити двояко: 

1)        при резонансі напруг струм в загальному колі буде максимальний- визначити його можливо, якщо значення вхідної  напруги поділити на активний опір котушки індуктивності.

2)        напруги на конденсаторі і на котушці індуктивності рівні по величині. Якщо в наявності є тільки один вольтметр, то при різних комбінаціях включення конденсаторів вольтметр необхідно підключати по черзі до котушки індуктивності і до батареї конденсаторів- і записувати дані.  

  Цікаво спостерігати, що при деяких комбінаціях ємності конденсаторів напруга на батареї конденсаторів буде в декілька раз більшою за вхідну, а при іншій сумарній ємності напруга на котушці індуктивності в декілька разів більша за вхідну напругу. 

В схемі використано індуктивність з феромагнітним магнітомягким осердям і котушка має 3500 витків провода ПЭВ-2 ø 0,08 мм. При такій котушці індуктивності, при певній ємності батареї конденсаторів появлялась напруга 36 В. Напруга безпечна, при вхідній 6 В, але під час проведення дослідів не слід торкатись оголених провідників. Набирати ємність конденсаторів також необхідно при знятті вхідної напруги.  

   Для послідовного резонансного контуру вхідний опір контуру при резонансі носить резистивний характер:

.

При цьому дотримується рівність індуктивного опору котушки  і ємнісного опору конденсатора,, тобто виконується умова резонансу напруг .

  Для виявлення резонансу струмів і перевірки закону Ома при паралельному з’єднанні,  індуктивного та ємнісного опорів. Отримання резонансу струмів необхідно зібрати схему, приведену на рис. 5. Батарея з 5-ти конденсаторів зібрана на роз’ємі типу РП14-16Л. В принципі можливо використати і роз’єм іншого типу. Можливо до котушки підключити 1…5 конденсаторів, що дозволяє мати різні варіанти  загальної ємності (при паралельному включенні конденсаторів ємність їх додається). Як відомо з теорії, резонанс струмів можливо виявити двояко: 

1)  при резонансі струмів струм в загальному колі буде мінімальний.

2)  напруга на конденсаторі і на котушці індуктивності максимальна. 

  В схемі використано індуктивність з феромагнітним магнітомягким осердям і котушка має 3500 витків провода ПЭВ-2 ø 0,08 мм. При такій котушці індуктивності, при певній ємності батареї конденсаторів максимальна на коливальному контурі напруга безпечна, але під час проведення дослідів не слід торкатись оголених провідників. Набирати ємність конденсаторів також необхідно при знятті вхідної напруги.  

  Так як струми в гілках змінюються в протифазі, то повний струм джерела дорівнює їх різниці і величина його визначається наступним виразом:

Якщо індуктивне і ємнісне опору рівні, дужка звертається в нуль і, отже, струм в підвідних до контуру проводах відсутня. Це означає, що за такої умови струм від джерела даний ланцюг не споживає, опір контуру стає нескінченно великим. Але струми в гілках при цьому нулю не рівні, вони дорівнюють один одному і можуть досягати значних величин. Вони циркулюють в паралельних гілках, здійснюючи обмін енергією між котушкою з її магнітним полем і конденсатором, в якому локалізовано електричне поле. Таке явище в паралельному контурі називається резонансом струмів. Воно настає тоді, коли шляхом зміни параметрів власну частоту контуру зробили рівній частоті джерела зовнішньої напруги. В ідеальному паралельному контуру значення резонансної частоти таке ж як в послідовному.

   Отримані висновки зроблені для ланцюга, в якій відсутній активний опір. Насправді котушка індуктивності має активний опір- R_L. Конденсатор на частоті 50 Гц також володіє невеликим активним опором- R_C, пов'язаним з його діелектричними втратами. З урахуванням сказаного струм в колі буде мінімальний, але не рівний нулю.

Котушка індуктивності і батарея конденсаторів для послідовного і паралельного включення використовуються ті ж самі, просто по іншому включаються.

.    

                Фото 1 Послідовний контур  L-C                  Фото 2  Паралельний контур L-C

Автор: Бабин Дмитро Святославович

Джерело: Інтернет «Саморобні прилади з фізики» доповнення https://radioelectronics-ur5ydn.jimdofree.com/  

Демонстраційний перетворювач напруги на блокінг- генераторі

   Перетворювачі напруги DC/DC, тобто з постійної напруги отримати іншу необхідну напругу більш високу, або меншу за вхідну досить часто використовуються в різних технічних пристроях: в радіостанціях, в телевізорах для отримання високої анодної напруги для живлення кінескопа, для апаратури автоматики і телемеханіки. Схема простого перетворювача напруги приведена на Рис. 1. В схемі використано імпульсний трансформатор від кольорового телевізора типу EWD 010128. В принципі можливо використати і інший трансформатор. В залежності від коефіцієнта трансформації отримаємо відповідну напругу. З використаним трансформатором з 6 В отримано після випрямляча 160 В. Ясно, що при подачі більшої напруги на виході напруга збільшиться- так при подачі на вхід напругу ±9 В, на виході буде напруга ±240 В. Перетворювач напруги демонстраційний, тому в схему введено резистор R4, на 62 кОм, який обмежує вихідний струм до 2,6 мА, що безпечно для людини. Якщо вимірювати вихідну напругу, то необхідно враховувати внутрішній опір джерела живлення 62 кОм. До перетворювача напруги на 160 В можливо підключити індикатори тліючого розряду і спостерігати їх роботу. Так для підключення індикатора ИН-4 необхідно «+» 160 В подати на 1-й анод- 13-а «ніжка» і на 2-й анод- 10 «ніжка», а «-» на інші «ніжки» індикатора (виводи електродів: при виконанні з двома анодами: 1 - цифра 4; 2 - цифра 6; 3 - цифра 8; 4 - екран; 5 - цифра 9; 6 - цифра 7, 7 - не підключений; 8 - цифра 0; 9 - цифра 2; 10 - анод другий; 11 - цифра 3; 12 - цифра 5; 13 - анод перший; 14 - цифра 1; при виконанні з одним анодом: «+» подати тільки на 13 «ніжку». Транзистор VT1 поміщений на радіаторі з S= 50 см². В блокінг- генераторі позитивний зворотній зв’язок отримано за рахунок обмотки WIа. Якщо потрібно отримати високу вихідну напругу і імпульсний трансформатор має декілька вторинних обмоток, то їх можливо ввімкнути послідовно, згідно і таким чином напруга всіх обмоток додається. В схемі, приведеній на Рис. 1 вторинні обмотки з’єднанні послідовно, згідно. Якщо до вторинної обмотки підключити помножувач напруги, то від напруги ±6 В можливо отримати дуже високу напругу- тисячі і десятки тисяч вольт.

Загальний вигляд перетворювача напруги DC/DC- 6 В/ 160 В з підключеним індикатором ИН-4 (підключено до 4-х елементів по 1,5 В типу АА) показано на фото 1.

                 Фото 1.

                 Автор: Бабин Дмитро Святославович

                Джерело: Інтернет «Саморобні прилади з фізики» доповнення                            https://radioelectronics-ur5ydn.jimdofree.com/  

Демонстраційний цифровий вольтметр-амперметр постійного струму

  При ремонті радіоелектронної апаратури необхідно робити заміри напруги і струму, тому в даній статті приводиться приклад як можна зробити самотужки простий цифровий вольтметр-амперметр постійного струму.

  При викладанні курсу «Основи метрології та вимірювальної техніки» в радіотехнічних професійних училищах доцільно продемонструвати роботу цифрового вольтметра і амперметра постійного струму на спеціальній мікросхемі з аналогово-цифровим перетворювачем (АЦП) типу КР572ВП (зарубіжний аналог ICL7107). Мікросхема КР572ПВ2 являє собою перетворювач на 3,5 десяткових розрядів, що працює за принципом послідовного рахунку з подвійним інтегруванням, з автоматичною корекцією нуля і визначенням полярності вхідного сигналу. Мікросхема являє собою електронну частину цифрового вольтметра, що вимірює вхідний сигнал до ±1,999 В, при опорній напрузі 1 В і ±199,9 мВ при опорній напрузі 0,1 В. Максимальна напруга на вході мікросхеми не повинна перевищувати 2 В (–2 В). Цифрова інформація відображається на світлодіодних індикаторах типу АЛС324Б1. Три індикатора – показання приладу, а четвертий – інформація про перевищення допустимої вхідної напруги (висвічується «1»); та інформація про полярність вимірювальної напруги: якщо позитивна напруга відносно загального провідника, то на четвертому індикаторі не світиться сегмент «g», а якщо негативна – засвічується сегмент «g», знак «–». Мікросхема є функціонально закінчений пристрій. Для роботи перетворювача спільно з ІС використовуються тільки зовнішні конденсатори, резистори і джерела живлення.

  Основні параметри перетворювача: U_іп1 = +5 В, U_іп2 = –5 B, час циклу перетворення при     f = 50 кГц дорівнює 300 мс; вхідний опір 20 МОм; струм живлення 8 мA. Мікросхема має диференціальні входи і високу ступінь ослаблення синфазного сигналу (K_ос.сф = 100 дБ), що дозволяє використовувати перетворювач в умовах дії сильних перешкод. Перетворювач може живитись від автономного джерела. У мікросхемі передбачено, використання внутрішнього і зовнішнього тактових генераторів. Схема використання АЦП приведена на рис. 1. У першому випадку частота регулюється конденсатором С6, ємність якого вибирається з умови C6 = R10 – 0,45 / fт. Для підвищення стабільності fт можна застосовувати кварцовий резонатор, що підключається між виводами 39 і 40 (елементи R10 і С6 в цьому випадку не використовуються). При роботі з зовнішнім генератором його підключають до виводу 40 (виводи 38 і 39 не використовуються). При роботі з перетворювачем слід дотримуватися правил подачі напруги і захисту. Максимальні значення напруг U_іп1 = +5,5 B, U_іп2 = –8 В. Точність і правильність роботи АЦП залежить від паразитних ємностей монтажу. Дані про мікросхему і типова схема використання АЦП від виробника приведені в (1).

  Для вольтметра-амперметра використано готову плату, на якій знаходиться мікросхема АЦП, чотири індикатори і радіоелементи, а при необхідності таку плату можливо виготовити самотужки або замовити через Інтернет-магазин – вартість 120 грн. Схема демонстраційного цифрового вольтметра  приведена на рис. 1. За основу конструкторами (готової плати)  взята типова схема на мікросхемі КР572ВП, яка запропонована заводомвиробником (Рижський завод напівпровідникових приладів.  Акціонерне підприємство ALFA); за винятком: добавлено захист вхідних ланцюгів мікросхеми від перенапруги – в схему введено зустрічно-паралельно ввімкнені діоди і стабілітрони VD1…VD4. Для покращення стабільності опорної (зразкової) напруги 1 в схему, приведену на рис. 1, введено додатковий стабілізатор на світлодіоді HL3. Як показує практика, підстроювальний резистор R13 повинен бути багатообертовий, типу СП5-2. Для використання приладу в режимі вольтметра необхідно перемикач SA1 встановити в положення «V» (світлодіод HL1 зеленого кольору буде світити в цьому положенні перемикача), перемичку «П1 V» необхідно встановити в гнізда Гн.5, Гн. 6; при цьому додатковий резистор R8 подільника вхідної напруги буде під’єднаний. В режимі амперметра перемикач SA1 необхідно встановити в положення «А» (світлодіод HL2 червоного кольору буде світити в цьому положенні перемикача). При вимірюванні струму перемикач діапазонів вимірювання напруги може бути в будь-якому положенні. При вимірюванні постійної напруги можливо використати такі інтервальні шкали (0…U_макс.):  999 мВ, 9,99 В, 99,9 В, 999 В. Для отримання різних діапазонів вимірювань в схему введено подільник вхідної напруги (використано додаткові резистори R3, R4, R5) – до входу АЦП під’єднано резистор R8 на 10 кОм; це і є вхідний опір вольтметра при діапазоні 999 мВ. На діапазоні 9,99 В вхідний опір вольтметра становить 100 кОм, на діапазоні  99,9 В – 1 МОм. на діапазоні 999 В – 10 МОм.

  Якщо вимірюється напруга невідомої величини, то необхідно починати з більш високого діапазону і переходити, при необхідності, на нижчий діапазон.

  В режимі вимірювання струму до входу мікросхеми підключається опір шунта R2, величиною 1 Ом – при цьому амперметр буде на максимальний струм до 999 мА. Такий діапазон цілком придатний для використання приладу при проведені лабораторних робіт по електротехніці. Щоб змінити діапазон амперметра необхідно змінити величину опору шунта R2. При розрахунку опору шунта можливо знехтувати вхідним опором вольтметра в зв’язку з тим, що він на декілька порядків більший, за вхідний опір приладу.

 Для живлення мікросхеми сконструйовано випрямляч на дві градації напруги +5 В і –5 В, відносно загального провідника. Принципова електрична схема блока живлення приведена на рис. 2. 

  Напруги +5 В і –5 В стабілізовані простими схемами стабілізаторів. Транзистори VT1 і VT2 необхідно встановити на радіаторах з площею S= 25 см². В якості силового трансформатора можливо використати любий трансформатор потужністю 10…15 Вт, що має на вторинній обмотці напругу 20...24 В з відводом від середини, або дві обмотки по 10…12 В, які ввімкнути послідовно, згідно і зробити відвід від середини. Прилад, разом з блоком живлення  зібрано в пластмасовому корпусі і має такі габаритні розміри: 220×120×50 мм. Верхня кришка прозора, з органічного скла; щоб можна було побачити «начинку» приладу: силовий трансформатор, індикатори, мікросхему КР572ПВ (з 40 «ніжками»), підстроювальний багатообертовий резистор типу СП5-2 для виставлення зразкової напруги 1 В. Після виготовлення приладу необхідно порівняти показання  даного приладу і зразкового, і при необхідності провести корегування за допомогою підстроювального резистора R13. 

  В принципі, прилад можливо живити і від двох батарей типу «КРОНА» і підключати їх потрібно так: одну між точкою «а» («+» до «а») і загальним провідником, а другу між точкою «б» («-» до «б»)  і загальним провідником – таким чином на виході стабілізаторів отримаємо +5 В і –5 В відносно загального провідника для живлення мікросхеми АЦП і індикаторів. Подавати напругу від обох батарей необхідно одночасно через спарений перемикач. При цьому силового трансформатора і діодного містка для випрямляча не потрібно.

  Зовнішній вигляд приладу показано на фото 1. До входу приладу (гнізда +U і –U) підключено елемент типу АА – якщо, даний елемент новий і навантаження 100 кОм (діапазон 9,99 В), то елемент живлення («KODAK») має вихідну напругу 1,62 В. Інші типи елементів можуть мати іншу напругу: 1,5…1,6 В. Якщо елемент живлення підключити навпаки (зробити переполюсовку), то на першому індикаторі буде світити сегмент «–», тобто прилад вказує на полярність поданої напруги. Користуватись приладом досить просто.

 Фото 1

  Цікаво показати учням найпростіший гальванічний елемент, що представляє собою дві металічні пластини: мідну та оцинковане залізо і людина в якості електроліту. Для демонстрації цього необхідно провідники від пластин під’єднати до входу цифрового вольтметра, використавши діапазон 999 мВ, і покласти руки на пластини. Детально про це було описано в (2). В різних людей цей показник буде індивідуальний. Як показують заміри, утворена напруга становить     200…600 мВ.

  Завдяки спеціалізованій мікросхемі АЦП даний прилад має малу кількість радіоелементів і часто використовується в різних вимірювальних пристроях: вимірювачах індуктивності, вимірювачах ємності, електронних термометрах і т. д.

  На мікросхемі типу КР572ПВ2 можливо сконструювати і цифровий вимірювач опору, але треба мати на увазі, що в режимі вимірювання опорів додатковий резистор R8 на 10 кОм має бути відключеним (зняти перемичку «П1 V»), а сама мікросхема має вхідний опір 20 МОм.

  Якщо зняти перемичку «П1 V», встановити перемикач діапазонів вимірювань вольтметра в положення 999 мВ і виготовити додатковий пристрій, схема якого приведена на рис. 3, то можливо провести лабораторну роботу по вимірюванню величини опору резисторів в межах від 0 до 999 кОм. Для налагодження пристрою необхідно мати п’ять каліброваних резисторів: на 91 Ом, на 910 Ом, на 9,1 кОм, на 91 кОм і на 910 кОм.  Налагодження зводиться до виставлення показників на цифровому «омметрі» при підключенні каліброваних резисторах  за допомогою підстроювальних резисторів. 

 Для діапазону на 99,9 Ом (91 Ом) – підстроювальним резистором R1.

 Для діапазону на 999 Ом (910 Ом) – підстроювальним резистором R3. 

 Для діапазону на 9,99 кОм (9,1 кОм) – підстроювальним резистором R5.   Для діапазону на 99,9 кОм (91 кОм) – підстроювальним резистором R7.

 Для діапазону на 999 кОм (910 кОм) – підстроювальним резистором R9. 

    Після налагодження приставки з каліброваними опорами можливо користуватись нею для вимірювання опорів від  0 до 999 кОм. Невідомий опір спочатку перевіряємо в п’ятому положенні і при необхідності переходимо на нижчі положення. В разі перевантаження вольтметра по входу буде інформація на першому індикаторі – висвітлюється «1». Якщо вимірювальний опір більший за 999 кОм, то навіть в п’ятому положенні буде перевантаження вольтметра. Слід мати на увазі, що спочатку необхідно під’єднати вимірювальний резистор, встановити перемикач SА1 в п’яте положення і тільки після цього натиснути кнопку SB1, тобто подати напругу на схему. 

  Якщо додатково зробити невеличку приставку, в якій буде двопівперіодний випрямляч, зроблений по мостовій схемі, згладжуючий конденсатор і подільник напруги, то буде змога за допомогою цифрового вольтметра, ввімкненого на діапазон вимірювань 999 В, вимірювати змінну напругу в межах від 10 до 570 В. Схема приставки приведена на рис. 4  Верхня межа вимірювання змінної напруги обмежується в зв’язку з використанням оксидних конденсаторів на напругу 400 В. Два оксидні конденсатори ввімкнені послідовно, завдяки чому отримано один конденсатор на робочу напругу 800 В, ємністю 7,5 мкФ.    Як відомо з теорії, постійна напруга після згладжування в 1,4 рази більша за вхідну (амплітудне значення змінної напруги), тому в схему введено подільник напруги на резисторах R3, R4, R5.    Налагоджувати приставку найпростіше при вимірюванні напруги в електромережі. Необхідно одночасно ввімкнути в електромережу зразковий прилад і даний цифровий прилад, разом з приставкою і підібрати величину резистора R3 щоб показники приладів були одинакові. Можливо, що виникне необхідність до резистора R3 додатково добавити (послідовно) ще один резистор на декілька кОм, якщо показання приладу завищене; або паралельно до резистора R3 підключити резистор на сотні кОм, якщо показання приладу занижене.

   Змінювати щось у схемі приставки можливо тільки після відключення її від електромережі та повному розряді конденсаторів (на вольтметрі покази змінюються від 220 до 0 протягом 30 секунд) - необхідно дотримуватися правил техніки безпеки при роботі на електроустановках.

    Для вимірювання напруги в електромережі необхідно використати, як було вказано вище, діапазон 999 В, в якому вхідний опір вольтметра становить 10 МОм, що значно більше за вихідний опір приставки (630 кОм). На фото 1 також показана приставка для вимірювання змінної напруги.

  Особливо допитливим можливо продемонструвати зміну показників приладу при зміні величини підстроювального резистора R13 для виставлення опорної напруги; при підключеному для вимірювання напруги елементі типу АА. Після експерименту виставити попередні показники. В верхній панелі приладу є отвір, через який за допомогою викрутки можливо повертати багатообертовий підстроювальний резистор. Цифровий вольтметрамперметр можливо виготовити учнями на факультативних заняттях, або в гуртку

«Радіоконструкторів».  

Література:

1.    Рижский завод полупроводниковых приборов (Акционерное общество ALFA), микросхема КР572ПВ2 

https://rcl–radio.ru/wp–content/uploads/2015/04/kp572pv2.pdf

2.    Саморобні прилади з фізики, Демонстрація елемента живлення            https://radio-ur5ydn.jimdofree.com/

3.    Автор: Бабин Дмитро Святославович

           Джерело: Інтернет «Саморобні прилади з фізики» доповнення                 https://radioelectronics-ur5ydn.jimdofree.com/  

   Стенд для лабораторної роботи - дослідження трансформаторів

   Якщо в школі (професійному  училищі) недостатньо обладнання для проведення лабораторних робіт, то можливо виготовити стенд для лабораторних робіт з колами змінного струму на факультативних заняттях, гуртках радіоконструкторів - з широко розповсюджених радіоелементів.     Для виготовлення блока живлення (БЖ) на 6 В використано силовий трансформатор від фільмоскопа, а замість нього можливо взяти любий понижувальний силовий трансформатор потужністю 20…30 Вт, що має  вихідну напругу 6 В. Для захисту блока живлення при короткому замиканні вихідних клем в БЖ послідовно ввімкнена електролампа розжарення на 6 В потужністью 15 Вт; яка також взята з фільмоскопа. Таким чином БЖ безпечний для експлуатації: напруга 6 В безпечна, а у випадку неправильно зібраної схеми з закорочуванням   (і таке трапляється) буде світити електролампа HL2. Світлодіод HL1- індикатор підключення БЖ до електромережі. Принципова електрична схема БЖ приведена на рис. 1. Силовий трансформатор захищено запобіжником FU1 на 0,5 А. Зовнішній вигляд БЖ показано на фото 1. Використовуючи БЖ на 6 В можливо провести  лабораторно-практичні роботи з змінним струмом, частотою 50 Гц, а також провести дослідження трансформаторів 

   .Трансформатор — статичний електромагнітний пристрій, що має дві або більше індуктивно зв'язані обмотки і призначений для перетворення за допомогою електромагнітної індукції напруги змінного струму. Трансформатори широко застосовуються в лініях електропередач, в розподільних та побутових пристроях. При високій напрузі й малій силі струму передача електроенергії відбувається з меншими втратами. Тому, зазвичай лінії електропередач є високовольтними. Водночас побутові й промислові машини вимагають великої сили струму й малої напруги, тому перед споживанням електроенергія перетворюється в низьковольтну. Трансформатори знайшли застосування також у різних випрямних, підсилювальних, сигналізаційних та інших пристроях. Коефіцієнт корисної дії сучасних трансформаторів, особливо підвищеної потужності, вельми високий і досягає значень 0,95…0,996.

  Трансформатором називається прилад, який служить для перетворення величини змінної напруги та струму. Він складається із двох (або декількох) котушок ізольованого дроту, які з’єднуються на спільному замкнутому феромагнітному осерді. Щоб зменшити втрати енергії на нагрівання осердя вихровими струмами, його виготовляють з тонких пластин трансформаторної сталі, які ізолюються одна від одної спеціальним лаком. Котушка, до якої підводиться напруга змінного струму, називається первинною, а котушка трансформатора, до якої під’єднується споживач, - вторинною (вторинні).  Коли до первинної котушки трансформатора прикласти змінну напругу, то по ній буде проходити змінний струм, який утворює змінний магнітний потік осердя. Трансформатори- прилад інверсної дії- якщо подати напругу на одну з вторинних обмоток, то на первинній обмотці виникне напруга, тобто первинна і вторинна обмотки міняються місцями.

           Змінний магнітний потік осердя (φ) збудить у витках первинної катушки Е.Р.С. самоіндукції (ε₁), яка за величиною буде дещо менша прикладеної напруги U₁ на величину спаду напруги на обмотці ε₁ ≈ U₁, але   ε₁ = (Δφ/Δt)n₁ , де n₁ – число витків первинної катушки.

            За законом електромагнітної індукції у вторинній обмотці трансформатора (з числом витків n₂) збудиться Е.Р.С. індукції (ε₂)

                                                      ε₂ = (Δφ/Δt)n₂

           В режимі холостого ходу трансформатора (вторинна обмотка розімкнута) величина Е.Р.С.

індукції   ε₂ дорівнює напрузі U₂ на виході трансформатора, тобто

   ε₂ ≈ U₂

           Величина коефіцієнту трансформації визначається за формулою

           При K>1 – трансформатор понижувальний, а коли K<1 – підвищувальний.

           В режимі робочого ходу – вторинна обмотка замикається на навантаження R, через неї потече струм I₂. Магнітне поле струму I₂ буде зменшувати магнітний потік осердя, внаслідок чого  ε₁ стане меншою від U₁, що приведе до збільшення струму в первинній обмотці до величини I₁. Збільшення струму первинної обмотки спричинить зростання магнітного потоку осердя до попередньої величини і знову

 ε₁ ≈ U₁

              Визначення             коефіцієнта трансформації         між      різними          обмотками трансформатора 

Фото 1.

  На практиці така методика дуже часто використовується радіоаматорами і радіотелемайстрами для визначення потрібних обмоток силових трансформаторів. Нижче приводиться приклад дослідження трансформаторів. Спочатку необхідно за допомогою омметра перевірити

(«продзвонити») наявність обмоток, умовно їх пронумерувати, і приступити до дослідження. При «прозвонке» необхідно по відношенню до одного з виводів трансформатора «продзвонити» всі останні і з'ясувати з якими виводами показує омметр. Бувають випадки, що з даного виводу немає «пари», тобто не прозвонюється з іншими- так це, як правило, екранна обмотка. Якщо на трансформаторі є заводська нумерація виводів обмоток, то вони можуть «видзвонюватися» не підряд, а в розсипну, наприклад: 4- 11- 13 - 15; 5- 7; 3 без пари (екран), і т. д.                                     .     

Будемо вважати , що маємо справу з невідомим трансформатором – на ньому надпис 4.702. 081- це абсолютно нічого не підказує. Якщо б це був уніфікований трансформатор типу ТА, ТН, ТАН, ТП, то можливо знайти його дані в довідковій літературі, а в даному випадку це просто заводська нумерація. Заміри  омметром показали, що трансформатор має п’ять обмоток, як це показано на рис. 1, причому перша обмотка має найбільший опір. Ймовірно, що перша обмотка і є первинною. Проведемо додаткові дослідження. Подаємо на одну з низькоомних обмоток напругу 6 В від блока живлення і проводимо заміри наведеної напруги на інших обмотках трансформатора. Дані замірів приведені на рис. 2. Цю «операцію» необхідно проводити обережно, так як наведена напруга може бути високою і небезпечною для життя людини.   Як видно з досліду, на першій обмотці отримали 170 В, а на інших обмотках низька напруга. Очевидно, що перша обмотка і є первинна обмотка силового трансформатора. І останній етап- це випробовування трансформатора від змінної напруги електромережі 220 В. Обов’язково підключати трансформатор через запобіжник на 0,5…1,0 А. При підключенні трансформатора не повинно бути гудіння, а тим більше трансформатор не повинен грітися. Клеми первинної обмотки трансформатора необхідно заізолювати, так як напруга велектромережі небезпечна для людини. Результат замірів напруг без нагрузки (холостий хід) приведено на рис. 3.  Як видно за результатами замірів, це понижувальний трансформатор, з кількома градаціями вихідних напруг. Якщо виникне необхідність, то вторинні обмотки можливо включити послідовно (згідно) - при цьому напруга обмоток підсумовується. Для оцінки здатності навантаження кожної з обмоток необхідно підключити до обмоток навантажувальний реостат, і виставити такий опір, щоб напруга була менше напруги холостого ходу на 10 ... 15% і заміряти струм в навантаженні. Іноді силові трансформатори мають первинні обмотки, які складаються з двох обмоток, послідовно (згідно) включених по 110 В- це необхідно мати на увазі і перед підключенням до електромережі зробити згідне включення обмоток, що підтвердить випробування; при подачі низької напруги на низькоомную обмотку.

Аналогічно можливо випробувати любий силовий трансформатор.

Автор: Бабин Дмитро Святославович

Джерело: Інтернет «Саморобні прилади з фізики» доповнення https://radioelectronics-ur5ydn.jimdofree.com/