Глава 13. Измерения переменного тока

ЦЕЛИ

После изучения этой главы студент должен быть в состоянии:

• Перечислить типы измерительных приборов, пригодных для измерений переменного тока.

• Перечислить системы измерительных приборов, используемых для измерений переменного тока.

• Объяснить функции осциллографа.

• Перечислить основные части осциллографа и объяснить их назначение.

• Продемонстрировать правильную установку осциллографа.

• Рассказать, как использовать осциллограф для проведения измерений.

• Объяснить, как работает частотомер.

• Перечислить основные части частотомера.

Измерения силы тока, напряжения, сопротивления, мощности и частоты переменного тока необходимы при работе и ремонте цепей переменного тока и различных устройств.

В этой главе описано наиболее важное тестирующее оборудование, используемое для проведения различных измерений переменного тока.

13-1. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Приборы с перемещающейся катушкой — это приборы магнитоэлектрической системы. Аналоговый измерительный прибор, изображенный на рис. 13-1 — это прибор с перемещающейся катушкой.

Рис. 13-1. Аналоговый измерительный прибор, используемый для измерений величины переменного тока

Цифровые приборы, показания которых легко читаются (рис. 13-2), в последнее время заменяют аналоговые приборы. Однако большинство школ и предприятий все еще используют аналоговые приборы.

Рис. 13-2. Цифровой измерительный прибор, используемый для измерений величины переменного тока.

Приборы магнитоэлектрической системы рассчитаны на измерение постоянного тока. Для того чтобы с помощью этого прибора измерить переменный ток, его сначала надо преобразовать в постоянный. Это осуществляется с помощью устройства на диодах, которое называется выпрямителем. Процесс преобразования переменного тока в постоянный называется выпрямлением. Выпрямители размещаются между входом прибора и измерительной системой и позволяют протекать току только в одном направлении (рис. 13-3). Выпрямители преобразуют синусоидальный ток в пульсирующий постоянный ток, который поступает на измерительный прибор.

Рис. 13-3. Выпрямители, используемые для преобразования переменного тока в постоянный перед подачей его на измерительный прибор магнитоэлектрической системы.

Измерительный прибор переменного тока второго типа использует перемещение железных лопастей (рис. 13-4).

Рис. 13-4. Измерительный прибор электромагнитной системы, использующий железные лопасти, не требует преобразования переменного тока в постоянный.

Этот прибор называется прибором электромагнитной системы. Он не требует преобразования переменного тока в постоянный и состоит из двух железных лопастей, размещенных внутри катушки. Одна лопасть неподвижна, а другая может вращаться. Стрелка прибора прикреплена к подвижной лопасти и перемещается пропорционально среднеквадратичному значению тока, текущего по катушке.

Магнитное поле катушки индуцирует северный и южный полюсы на железных лопатках. Вследствие того, что одноименные полюсы отталкиваются, а обе лопасти имеют одинаковую полярность, они отталкиваются друг от друга.

Перемещение железной лопасти, соответствующее отклонению стрелки на всю шкалу, требует большего тока, чем для соответствующего перемещения катушки в приборах магнитоэлектрической системы. По этой причине приборы электромагнитной системы редко применяются в цепях со слабыми токами. Приборы электромагнитной системы допускают большую погрешность при измерении переменных токов с частотами свыше 100 герц. Они используются преимущественно на частоте 60 (50) герц.

Работа измерительных клещей (рис. 13-5) основана на том, что переменный ток, протекающий по проводнику, создает магнитное поле, изменяющееся при изменении тока.

Рис. 13-5. Работа измерительных клещей основана на том, что ток, текущий по проводнику, создает вокруг него магнитное поле.

Каждый раз, когда переменный ток изменяет полярность, магнитное поле меняет направление. Измерительные клещи используют трансформатор с размыкающимся сердечником. Это позволяет разомкнуть сердечник и обхватить им проводник. На конце сердечника находится катушка, которую пересекают магнитные силовые линии. Благодаря этому в катушке индуцируется переменное напряжение. Это переменное напряжение должно быть выпрямлено перед подачей на измерительный прибор, обычно магнитоэлектрической системы. Измерительные клещи используются для измерения больших переменных токов. Ток, текущий по проводнику, должен быть достаточно большим для того, чтобы создать достаточно сильное магнитное поле, которое сможет индуцировать ток в катушке измерительных клещей.

Основным назначением приборов для измерения переменного тока является измерение токов. Однако эти приборы могут также использоваться для измерения переменного напряжения и мощности. Поскольку переменный ток периодически меняет свое направление, полярность включения прибора в цепь переменного тока не имеет значения. Однако для измерения тока измерительный прибор должен включаться в цепь последовательно. При измерении напряжения измерительный прибор должен подключаться к цепи параллельно.

Вы всегда должны быть уверены, что измеряемые ток. или напряжение лежат в пределах измерения прибора. Для перестраховки неизменно начинайте измерения с наивысшего предела, а потом переходите на более подходящую шкалу.

13-1. Вопросы

1. Как приборы магнитоэлектрической системы используются для измерения переменного напряжения?

2. Почему приборы электромагнитной системы предпочтительнее для измерения переменных токов и напряжений?

3. Объясните принцип, лежащий в основе работы измерительных клещей.

4. Нарисуйте цепь, показывающую, как надо подсоединять амперметр переменного тока.

5. Опишите правильный способ подключения вольтметра переменного тока к цепи (включая при возможности установки переключателей).

13-2. ОСЦИЛЛОГРАФЫ

Осциллограф является наиболее универсальной частью оборудования, применяемого для работы с электронными цепями (рис. 13-6). Он обеспечивает визуальное отображение того, что происходит в цепи.

Рис. 13-6. Осциллограф является наиболее универсальной частью оборудования, доступного специалисту.

Осциллограф показывает изменение напряжения в электронной цепи как функцию времени и позволяет измерить следующие параметры:

1. Частоту сигнала.

2. Продолжительность сигнала.

3. Фазовые соотношения между сигналами.

4. Форму сигнала.

5. Амплитуду сигнала.

Основными частями осциллографа являются: электронно-лучевая трубка (ЭЛТ), генератор развертки, усилители горизонтального и вертикального отклонения, блок питания (рис. 13-7).

Рис. 13-7.Блок-схема основных частей осциллографа.

Генератор развертки вырабатывает пилообразное напряжение, подаваемое на вход усилителя горизонтального отклонения. Усилители горизонтального и вертикального отклонения увеличивают амплитуду входного напряжения до уровня, способного отклонять электронный пучок в электронно-лучевой трубке. Блок питания обеспечивает постоянное напряжение для работы усилителей и электронно-лучевой трубки.

Электронно-лучевая трубка состоит из трех частей: экрана, покрытого люминофором, отклоняющих пластин и электронной пушки, (рис. 13-8).

Рис. 13-8. Основные части электронно-лучевой трубки (ЭЛТ).

Люминофор, находящийся на экране, испускает свет, когда в него ударяются электроны. Электронная пушка создает пучок электронов, который ударяется об экран. Отклоняющие пластины изменяют направление электронного пучка на пути к экрану.

Горизонтальные отклоняющие пластины соединены с генератором развертки и перемещают электронный пучок вправо и влево, по экрану. Усилитель вертикального отклонения связан с входным сигналом и управляет его амплитудой.

С помощью градуировки в сантиметрах по вертикальной и горизонтальной осям (рис. 13-9), осциллограф можно откалибровать с помощью известного напряжения, перед тем как измерять неизвестный сигнал. После этого при подаче на вход осциллографа неизвестного сигнала его амплитуда может быть измерена. Вместо того, чтобы градуировать лицевую поверхность ЭЛТ, осциллографы снабжают накладными координатными сетками, которые размещаются перед экраном ЭЛТ.

Рис. 13-9. Координатная сетка на экране осциллографа.

Выключатель питания осциллографа обычно расположен на передней панели (рис. 13–10). Это может быть тумблер, кнопка или вращающийся выключатель. Он может быть отдельным или совмещенным с другим переключателем. Его назначение — включать сетевое напряжение для работы осциллографа.

Рис. 13–10. На передней панели осциллографа находятся органы управления.

Регулятор интенсивности (яркости) используется для управления электронным пучком в ЭЛТ. Вращение этого регулятора позволяет отрегулировать электронный пучок для получения желаемой яркости. Предупреждение: устанавливайте яркость как можно более низкой. Слишком большая яркость в течение достаточно долгого времени может нанести повреждения люминофорному покрытию экрана и сделать ЭЛТ непригодной для эксплуатации.

Регуляторы фокусировки и астигматизма связаны с электронной пушкой и используются для настройки размеров и формы электронного пучка до того, как он достигнет отклоняющих пластин. Оба эти регулятора — вращательные. При их вращении электронный пучок постепенно размывается на экране ЭЛТ, и оба регулятора поочередно используются до тех пор, пока на экране не получится идеально круглая четкая точка. На некоторых новых моделях осциллографов ручка управления астигматизмом может быть расположена в углублении ниже передней панели.

Регуляторы управления горизонтальным и вертикальным положением луча также являются вращательными. Они позволяют расположить электронный пучок в любом месте экрана ЭЛТ. Первоначально они устанавливаются так, чтобы электронный пучок развертывался вдоль центра ЭЛТ. После этого с помощью регуляторов можно поместить электронный пучок в удобное для измерения амплитуды и времени положение в соответствии с координатной сеткой.

Блок вертикального отклонения состоит из входного разъема, переключателя постоянного/переменного напряжения и вращательного переключателя пределов вольт/см. Пробник осциллографа соединяется с входным разъемом. Переключатель постоянного/переменного напряжения позволяет посылать сигнал либо прямо на усилитель вертикального отклонения в положении «постоянное» либо на конденсатор в положении «переменное». Конденсатор в положении «переменное» используется для удаления постоянной составляющей из измеряемого сигнала. Переключатель вольт/см используется для установки амплитуды входного сигнала. Если сигнал слишком велик, то вертикальный усилитель искажает его. Если сигнал слишком мал, то он усиливается. Этот регулятор откалиброван в соответствии с координатной сеткой на ЭЛТ. От установки этого регулятора зависит амплитуда сигнала, подаваемого на ЭЛТ.

Блок горизонтального отклонения, управляющий изменением масштаба по оси времени, состоит из вращательного переключателя пределов время/см, переключателя управления запуском и управления уровнем запуска. Переключатель пределов, время/см устанавливает частоту горизонтальной развертки, соответствующей горизонтальной градуировке. На нижнем пределе частота развертки на экране составляет несколько циклов в секунду. С помощью переключателя управления запуском выбирается источник и полярность синхронизирующего сигнала. Источником синхронизации может быть сеть, внутренний или внешний источник. Полярность может быть положительной или отрицательной. Когда в качестве источника синхронизации выбрана сеть, то именно частота тока сети 60 (50) герц оказывается синхронизирующей частотой. Когда источник синхронизации внутренний, то в качестве синхронизирующей частоты используется частота внутреннего генератора. Положение переключателя «внешний» позволяет использовать синхронизирующую частоту внешнего генератора.

Регулятор уровня устанавливает амплитуду синхронизирующего сигнала, которая необходима для запуска генератора развертки. Если регулятор уровня находится в положении «авто» осциллограф работает в свободном режиме. Поворот регулятора уровня приводит к пустому экрану, на котором нет сигнала. Регулятор уровня надо повернуть до положения, когда сигнал на экране осциллографа исчезает, и немного повернуть обратно, чтобы сигнал появился вновь. В этом положении регулятор сигнала устойчивый. Использование управления уровнем синхронизирующего сигнала позволяет синхронизировать генератор развертки с входным сигналом и получить устойчивое изображение на экране ЭЛТ.

Перед использованием осциллограф необходимо проверить, чтобы убедиться в его исправности. Непроверенный прибор может давать неправильные показания. Большинство осциллографов имеют встроенный генератор тестирующего сигнала. Сначала органы управления должны быть установлены в следующие положения:

Яркость, Фокусировка, Астигматизм и Управление положением луча (должны быть установлены в среднее положение).

Синхронизация: внутренняя +.

Уровень: «авто».

Время/см: 1 мсек.

Вольт/см: 0,02.

Питание: вкл.

Пробник осциллографа должен быть подсоединен к разъему источника калиброванного напряжения. На экране осциллографа должны появиться прямоугольные импульсы. Изображение должно быть устойчивым и содержать несколько периодов с амплитудой равной напряжению калибратора. Теперь осциллограф готов к работе.

Для того чтобы использовать осциллограф, установите переключатель вольт/см на высший предел. Подключите на вход осциллографа исследуемый сигнал и поворачивайте переключатель вольт/см до тех пор, пока изображение не займет примерно две трети экрана по высоте. Настройте развертку так, чтобы получилось устойчивое изображение и желаемое количество периодов.

13-2. Вопросы

1. Что можно узнать о колебаниях с помощью осциллографа?

2. Каковы основные части осциллографа?

3. Опишите процедуру настройки осциллографа перед его первым использованием.

4. Как используется осциллограф при работе с электрическими цепями?

5. Для чего нужна координатная сетка на экране осциллографа?

13-3. ЧАСТОТОМЕРЫ

Частотомер (рис. 13–11) измеряет частоту сигнала путем сравнения ее с известной заданной частотой. Все частотомеры состоят из одних и тех же составных частей: генератора меток времени, формирователя входного сигнала, цепи генерации стробирующих импульсов, электронного коммутатора, десятичного счетчика и дисплея (рис. 13–12).

Рис. 13–11. Частотомеры широко используются в ремонтных мастерских и в промышленности.

Рис. 13–12. Блок-схема электронного частотомера.

Формирователь сигнала преобразует входной сигнал в сигнал с такой формой и амплитудой, который совместим с входными цепями счетчика. Электронный коммутатор пропускает сформированный входной сигнал на счетчик, где в то же самое время присутствует сигнал от генератора меток времени. Генератор меток времени возбуждает цепь генерации стробирующих импульсов с помощью сигнала, сравнимого с измеряемым сигналом. Цепь генерации стробирующих импульсов работает как центр синхронизации счетчика. Он управляет открытием и закрытием электронного коммутатора, а также вырабатывает сигнал установки времени индикации и сигнал сброса для начала нового счета. Десятичный счетчик подсчитывает все импульсы, проходящие через электронный коммутатор. Для каждого отображаемого разряда требуется один десятичный счетчик. Дисплей, который обеспечивает визуальное отображение измеряемой частоты, может быть одного из нескольких типов. Наиболее часто используются дисплеи на газоразрядных индикаторах, светодиодные дисплеи и жидкокристаллические дисплеи.

Электронные частотомеры когда-то были исключительно лабораторным оборудованием, но в настоящее время они используются в мастерских по ремонту бытовой аппаратуры, конструкторами, радиолюбителями и в промышленности. Широкое использование частотомеров связано с применением микросхем, которые уменьшили размеры и цену частотомеров и увеличили их точность, стабильность, надежность и диапазон измеряемых частот. (Интегральные микросхемы рассматриваются в разделе 3).

13-3. Вопросы

1. Какова функция электронного частотомера?

2. Из каких основных частей состоит частотомер?

3. Нарисуйте блок-схему электронного частотомера.

4. Какова функция формирователя сигнала в частотомере?

5. Почему увеличивается популярность частотомеров?

РЕЗЮМЕ

• Для измерения переменного тока или напряжения с помощью приборов магнитоэлектрической системы ток или напряжение сначала надо преобразовать в постоянное.

• Приборы электромагнитной системы не требуют преобразования в постоянный ток.

• Работа измерительных клещей основана на том, что ток, текущий по проводу, создает магнитное поле.

• Осциллограф позволяет получить следующую информацию о сигнале в цепи:

— частоту сигнала;

— длительность сигнала;

— фазовые соотношения между сигналами;

— форму сигнала;

— амплитуду сигнала.

• Основными частями осциллографа являются:

— электронно-лучевая трубка;

— генератор развертки;

— усилитель горизонтального отклонения;

— усилитель вертикального отклонения;

— блок питания.

• Частотомер измеряет частоту путем сравнения колебания неизвестной частоты с колебанием известной частоты.

• Основными частями частотомера являются:

— генератор меток времени;

— формирователь входного сигнала;

— цепь генерации стробирующих импульсов;

— электронный коммутатор;

— десятичный счетчик;

— дисплей.

Глава 13. САМОПРОВЕРКА

• Опишите, как прибор предназначенный для измерения постоянного тока, может быть применен для измерения переменного тока?

• Объясните, как измерительные клещи используются для измерения тока.

• Какие параметры сигнала можно измерить при помощи осциллографа?

• Опишите процесс проверки осциллографа для определения правильности его работы.

• Перечислите основные блоки частотомера и опишите функции каждого из них.

• Какова главная причина того, что частотомеры появились на рабочих местах ремонтных мастерских?

Прерывание — это сигнал от внешнего устройства, которое сообщает компьютеру, что оно хочет принять или послать данные.

Микропроцессор — это часть микрокомпьютера. Он состоит из блока управления и арифметико-логического устройства.

Микропроцессор выполняет функции управления и выполняет операции, связанные с математической логикой и принятием решений.