Мосты переменного тока

4. Описание лабораторной установки

4.1. Схема лабораторной установки показана на рис.8.6. Она содержит два плеча будущего моста, клеммы для подключения измеряемого элемента, 4+6-ти декадного магазина сопротивлений, источника питания и индикатора равновесия и переключателя, позволяющие видоизменять схему моста. Переключателем П₁ можно менять диапазон измерений в 10 раз, изменяя сопротивление R₂ Переключателем П₂ можно поменять местами плечи R₄ и C_o+R₃, что необходимо при переходе от измерения емкости C_x к измерению индуктивности L_x .

Включая переключателем П₃ сопротивление R₃ параллельно или последовательно образцовой емкости C_o, можно перейти от измерения элементов с большими потерями к измерению с малыми потерями.



Рис.8.6. Схема лабораторной установки

К клеммам L_x, C_x подключается измеряемый образец (конденсатор или катушка), а к клеммам R₄ - магазин сопротивлений.

Питается мост от звукового генератора или сети переменного тока с частотой 50 Гц через трансформатор. На выходе моста включается осциллографический нуль-индикатор или осциллограф через разделительный трансформатор. В случае питания моста от сети переменного тока в качестве нуль-индикатора используется вибрационный гальванометр ВГ.

4.2. Генератор сигналов звуковой частоты ГЗ-33 (или 34) .

4.2.1. Назначение прибора.

Генератор сигналов типа ГЗ-33 является источником синусоидальных электрических колебаний звуковой и ультразвуковой частот.

4.2.2. Техническая характеристика.

1. Диапазон частот от 20 Гц до 200 кГц перекрывается четырьмя поддиапазонами. В каждом поддиапазоне частоту можно менять в 10 раз.
2. Основная погрешность по частоте менее + (0.02 Гц + 10 Гц) .
3. Плавная расстройка по частоте +1.5% от генерируемой частоты.
4. Имеется плавная регулировка выходного напряжения. Максимальное напряжение около 60 В.
5. Встроенный ослабитель (аттенюатор) рассчитан на активную нагрузку 600 Ом и дает общее расслабление выходного напряжения до 100 дВ через каждые 10 дБ.
6. Входное напряжение аттенюатора контролируется вольтметром со шкалами на 30 В и 60 В.
7. Максимальная выходная мощность генератора 5 Вт.

4.2.3. Схема прибора.

Генератор ГЗ-33 состоит из 5 связанных блоков, которые выполняют следующие функции (см. блок-схему рис.8.7.) .

Задающий генератор представляет собой двухкаскадный усилитель на резисторах, охваченный положительной частотозависимой обратной связью. Цепь частотозависимой обратной связи собрана по схеме моста Вина. При имеющем месте на определенной частоте балансе амплитуд и фаз, возбуждаются электрические колебания синусоидальной формы. Для повышения устойчивости частоты и амплитуды генерируемых колебаний в схему введена нелинейная отрицательная обратная связь с термистором. Изменяя параметры элементов частотозависимой цепи, меняется частота генерируемых колебаний.

Выходной усилитель является двухкаскадным усилителем мощности. Первый каскад – фазоинвертор,собранный по автобалансной схеме, второй – усилитель мощности, собранный по двухтактной схеме с выходным трансформатором. Переключением обмоток трансформатора осуществляется согласование генератора с нагрузками 5; 50 или 600 Ом. Потенциомер, включенный на входе главного усилителя, позволяет плавно менять величину выходного напряжения на входе аттенюатора, которое контролируется вольтметром переменного тока на 30 или 60 В (переключатель “ШКАЛА ПРИБОРА” в положении х1 или х2 ) .
Небольшие выходные напряжения получаются ослаблением сигнала аттенюатором. Обще ослабление 100 дБ (в 100000 раз) через каждые 10 дБ (в 3.16 раз) .
Ослабление N в дБ определяется
N = -20lg ,

где U₁ - напряжение на входе аттенюатора,

U₂ - напряжение на выходе аттенюатора.

4.2.4. Подготовка прибора к работе.

1. Поставить органы управления в положение:
а) тумблер “СЕТЬ” в нижнем положении,
б) ручка аттенюатора в положении +30 дБ,
в) тумблер “ВНУТР. НАГР. ” в положении “ВКЛ.”,
г) ручка “РЕГ. ВЫХОДА” в среднем положении,
д) остальные ручки в любом положении.
2. Включить питание прибора тумблером “СЕТЬ”. При этом должна загореться подсветка шкалы аттенюатора или сигнальная лампочка.
3. После 3-5 минутного прогрева ручками “МНОЖИТЕЛЬ” и “ЧАСТОТА Hz” установить требуемую частоту.
4. Согласовать выход генератора с величиной нагрузки – переключатель “ВЫХ. СОПРОТИВЛЕНИЕ” поставить в положение 5; 50 или 600 Ом (тумблер “ВНУТР. НАГР.” – в положение “ВЫКЛ.”) . Если сопротивление нагрузки значительно больше 600 Ом, то тумблер “ВНУТР. НАГР.” Поставить в положение “ВКЛ”.
5. Регулировка выходного напряжения осуществляется ступенями через 10 дБ при помощи переключателя “ПРЕДЕЛЫ ШКАЛ/ОСЛАБЛЕНИЕ” и плавно потенциометром “РЕГ. ВЫХОДА”. При этом стрелка, идущая к окну аттенюатора, указывает предельное значение шкалы стрелочного прибора в точках 10 и 30 и величину ослабления в зависимости от сопротивления нагрузки.
6. Контроль выходного напряжения осуществляется по стрелочному прибору. В зависимости от величины этого напряжения переключатель “ШКАЛА ПРИБОРА” ставится в положение “х1” или “x2”.
4.2.5. Работа с прибором

1. Аттенюатор обеспечивает точное деление только при сопротивлении нагрузки 600 Ом + 1%.

2. Минимальны нелинейные искажения выходного напряжения и лучшая равномерность частотной характеристики генератора получаются при установке переключателя “ВЫХ. СОПРОТ.” В положение “АТТ”.
3. Генератор имеет симметричный выход со средней точкой. При желании можно соединить среднюю точку (клемма “С.Т.”), или один из крайних выводов с корпусом прибора.

4.3. Индикатор нуля осциллографический ИНО-3М.

4.3.1. Назначение прибора.

Осциллографический индикатор нуля предназначен для работы с мостовыми измерительными схемами переменного тока и используется в качестве визуального индикатора равновесия моста.

4.3.2. Техническая характеристика.

1. Осциллографический индикатор нуля обеспечивает работу с мостами, питаемыми переменным током частотой 50, 100, 400, 800 или 1000 Гц.
2. Пределы регулировки по частоте составляют +5%
3. Чувствительность индикатора не ниже 50 мкВ/мм на частоте 50 Гц и не ниже 25 мкВ/мм на всех остальных частотах.
4. Входное сопротивление индикатора не ниже 0.2 Мом
5. Прибор обеспечивает работу с мостами, напряжение питания которых лежит в пределах 0.3+300 В.

4.3.3. Принцип блокировки мостов с помощью осциллографического индикатора.

На вертикально отклоняющие пластины электронно-лучевой трубки через селективный усилитель подается напряжение с измерительной диагонали (с выхода) моста. Одновременно на горизонтально отклоняющие пластины подается напряжение, питающее мостовую схему (см. рис.8.8.). В результате этого, на экране электронно-лучевой трубки вычерчивается эллипс. Уравновешивание моста сопровождается поворотом осей эллипса и стягиванием эллипса в линию. Полному балансу моста, когда напряжение на измерительной диагонали моста равно нулю, соответствует прямая линия , сливающаяся с линией горизонтальной развертки.

Рис.8.8. Схема включения ИНО

4.3.4. Подготовка прибора к работе.

1. Включить питание прибора тумблером “СЕТЬ” (в положении “ВКЛ”).

2. После прогрева (1-2 мин.) ручками “ЯРКОСТЬ” и “ФОКУСИРОВКА” добиться четкого светового плана на экране трубки.
3. Поставить переключатель “УСИЛЕНИЕ Х ГРУБО” в положение “М” (малое усилие) или “Б” (большое усилие) в зависимости от величины напряжения, питающего мост.
4. Подключить к гнезду “Х” развертывающее напряжение (с диагонали питания моста) .
5. Ручкой “УСИЛИЕ Х ПЛАВНО” установить длину линии развертки на полный диаметр экрана трубки (около 40 мм) .
6. Снять развертку, отключив напряжение от гнезда “X”.
7. Подключить к гнезду “Y” напряжение развертки с диагонали питания моста.
8. Поставить переключатель “ЧАСТОТА ГЦ” в положение, соответствующее частоте напряжения питания моста.
9. Ручкой “ПОДСТРОЙКА ЧАСТОТЫ” добиться максимального отклонения луча на экране трубки.
Примечание. Если максимальному отклонению луча соответствует одно из крайних положений ручки, то частота питания моста сильно отличается (более чем на + 5%) от выше указанных резонансных частот селективного усилителя и подстройке подлежит генератор переменного тока.
10. Снять развертку с гнезда “Y”.
11. Подключить к гнезду “X” развертывающее напряжение с диагонали питания моста.
12. Подключить к гнезду “Y” напряжение с измерительной диагонали моста.

4.3.5. Работа с прибором.

1. Перед балансировкой моста ручка “УСИЛЕНИЕ У” ставится в положение, при котором эллипс находится в пределах экрана трубки. По мере приближения к балансу моста следует постепенно увеличивать чувствительность индикатора до максимальной путем поворота ручки “УСИЛЕНИЕ У” вправо до отказа.

2. При работе с прибором не следует давать излишнюю яркость на экране трубки, т.к. это приводит к уменьшению срока службы электронно-лучевой трубки из-за выгорания люминофора на экране. По этой же причине, в момент, когда измерения не производятся, яркость следует уменьшить до минимальной.
3. Индикатор имеет два несимметричных входа (один контакт обоих входов соединен с корпусом прибора), поэтому требуется ввести в схему развязывающий трансформатор в одну из диагоналей моста (если такого не содержит схема моста) .

8.5.Порядок выполнения работы.

1. Собрать схему лабораторной установки (рис.8.6.) .

2. Включить и подготовить к работе звуковой генератор согласно п.8.4.2.
3. Установить частоту генератора и напряжение по указанию преподавателя.
Для этого соответствующие органы управления генератора ставятся в положения:
а) “МНОЖИТЕЛЬ” – х10,
б) “Частота Hz”
в) “ВНУТР. НАГР.” – ВКЛЮЧ.
г) “ВЫХ. СОПРОТИВЛЕНИЕ” – 600 Ом,
д) “ПРЕДЕЛЫ ШКАЛ/ОСЛАБЛЕНИЕ” – в зависимости от требуемого выходного напряжения,
е) “ШКАЛА ПРИБОРА” – х1,
ж) “РЕГУЛ. ВЫХОДА” – вращением этой ручки выставить по стрелочному прибору указанное преподавателем напряжение.
4. Включить и подготовить к работе нуль-индикатор согласно п.8.4.3.
5. Регулятором выхода генератора уменьшить напряжение питания моста до нуля.
6. Уменьшить чувствительность нуль-индикатора до нуля.
7. Подключить к схеме один из измеряемых конденсаторов.
8. Переключатели на схеме установить в положения
П₁ – любое
П₂ – на C_x
П₃ – любое
9. Выставить напряжение питания моста и наименьшую чувствительность нуль-индикатора.
10. Изменением сопротивлений магазина R₄ и реостата R₃ добиться равновесия моста постепенно увеличивая чувствительность индикатора до максимальной.

Примечание. Если реостат R₃ не позволяет уравновесить мост, то переключатель П₃ следует поставить в другое положение и повторить уравновешивание моста.

11. Определить порог чувствительности моста, меняя сопротивления R₃ и R₄ так, чтобы вызвать заметное отклонение нуль-индикатора.
12. После окончания измерений чувствительность нуль-индикатора изменить до минимальной.
13. Записать показания магазина R₄ , положение переключателя П₁ (R₂) и реостата R₃ , а также изменений ΔR₃ и ΔR₄ в таблицу 8.1.
Таблица 8.1.
Измерение емкостей и индуктивностей

N п.п.

Объект измерений, название и N

Частота

Co

Положение П2,П3

R2

R3+ΔR3

R4+ΔR4

Результаты расчетов

Cx

tgδx

Rx

Lx

Qx

R3

Mx

Hz

μF

-

Ω

Ω

Ω

μF

-

Ω

H

-

Ω

H

14. Повторяя все операции, изложенные в п.п.8.5.5.-8.5.13., измерить емкость остальных конденсаторов, а также емкости, при их параллельном и последовательном включении.

Примечание. Если магазин R4 не позволяет уравновесить мост, следует переключатель П1 ставить в другое положение, изменяя диапазон измерений.
15. После измерения емкостей всех конденсаторов переключатель П2 ставится в положение “Lx”, к схеме, поочередно подключается и измеряется индуктивность данных катушек. Порядок уравновешивания моста остается прежним.
16. Для измерений взаимной индуктивности Mx двух катушек требуется дважды измерять индуктивность этих катушек включая их согласованно(L’) и встречно (L”) (см. рис.8.9.). Порядок измерения индуктивности остается прежним.



Тогда
M_x = (8.9)