Семинарно упражнение 1 (1-6 март 2004)

Напрежението поражда ток: Пасивни преобразуватели с токов изход

- философия - варираме - комбинираме - задачки - несъвършенства - подобряваме - обобщаваме - таблично - хроника - ресурси -

На всяко семинарно упражнение ще извличаме, "изобретяваме" или построяваме по няколко схемни градивни блокчета, които ще натрупваме постепенно в колекция от базови схеми. На днешното първо занятие ще извлечем следните 10 елементарни блокчета:

ФИЛОСОФИЯ. В началото на курса ще се опитаме да разкрием причинно-следствените връзки в ... закона на Ом. Първо, като разгледаме различни аналогии, ще въведем интуитивно най-общите атрибути от вида налягане, поток и съпротивление (в най-общ смисъл). След това ще ги конкретизираме в електрически величини напрежение, ток и съпротивление. Накрая ще поставим на обсъждане малко философския въпрос Кое е по-първично - напрежението или тока? Това е, така да се каже, електротехническата интерпретация на житейския въпрос за яйцето и кокошката, който тормози философите (и не само тях) от далечни времена до днес :). И тъй като трудно ще намерим отговор на този първичен въпрос ... просто ще предположим, че са възможни и двете. И така, на първото семинарно занятие приемеме, че напрежението поражда тока - т.е. разглеждаме най-елементарната електрическа верига на Ом, захранвана от източник на напрежение.

Сега отговорете на въпросите: Какво е това налягане, поток, съпротивление? Какво е това величина от вида налягане, поток, съпротивление? Какво е това електрическо напрежение, ток, съпротивление? Кое е по-първично - яйцето или кокошката :)? Каква е причинно-следствената връзка между величините от типа налягане и поток? Каква е причинно-следствената връзка в закона на Ом - напрежението обуславя тока или токът обуславя напрежението? Добавете още "философски" въпроси ... Добре, нека сега почнем да ...

ВАРИРАМЕ. Изменяйки напрежението и съпротивлението като входни величини и отчитайки тока като изходна величина, образно казано "изобретяваме" първите три най-елементарни и неделими схемни "блокчета" - пасивните аналогови преобразуватели напрежение-ток, съпротивление-ток и делител напрежение/съпротивление. Сега остава само да ги изследваме по начин, който ни дава интуитивна представа за действието им. Електрическите величини са невидими, затова нека ги визуализираме: напрежението - с потенциални стълбчета и диаграми; тока - с токови контури; работната точка - с насложени волт-амперни характеристики (графоаналитично).

Ето и малко "провокиращи" въпроси:Заслужава ли си да "изобретяваме" най-елементарните схемни градивни блокчета? Ако е така, как да го правим? Мислите ли, че Ом е изобретил тези най-елементарни вериги? Какво е това идеален преобразувател напрежение-ток? Съществува ли наистина такова устройство? Каква е връзката между входната и изходната величина на преобразуватели напрежение-ток и съпротивление-ток? Обратимо устройство ли е преобразувателя напрежение-ток? Какво ще стане, ако разменим входа и изхода му? Обратимо устройство ли е преобразувателя съпротивление-ток? А дали е линейно устройство и има ли значение това? Какво е това работна точка? Как можем да я визуализираме? След това започваме да ...

КОМБИНИРАМЕ. Можем да групираме елементарните блокчета в по-сложни, съставни блокчета. Така ще изградим: източник на ток, управляван с напрежение; съставен волтметър, направен от амперметър (тук става въпрос не само за познатите ни от класическата измервателна техника уреди, а за обобщени устройства, възприемащи напрежение и ток); източник на ток, управляван със съпротивление; съставен омметър, направен от амперметър; ще разгледаме и бъдещи устройства на идейно ниво - умножаващ цифрово-аналогов преобразувател (матрица R-2R) с опорно (входно) напрежение и токов изход.

Даже можем да напишем "формула" за построяване на всеки един съставен блок:

voltage-controlled current source  =  voltage source  +  voltage-to-current converter,
compund voltmeter  =  voltage-to-current converter  +  ammeter,
resistance-controlled current source  =  voltage source  +  resistance-to-current converter,
compund ohmmeter  =  voltage source  +  ammeter  etc.

Проектче: Характериограф - приставка към осцилоскоп. Знам, че едно от най-неприятните ви преживявания е било да снемате характеристика на ПП елементи, например диоди, "по точки" (е, има и по-неприятни неща - например, да се снема семейство от характеристики на транзистор по този начин). Затова направете един възможно най-прост характериограф като използвате трансформатор, резистор и разбира се, изследвания елемент. Ето и някои изходни данни: VMAX = 10V (значи ще изследваме и ценерови диоди), IMAX = 100 ma. За вас остава да решите как да включите тези елементи и да изберете стойности на захранващото напрежение на трансформатора и съпротивлението на резистора. Каква е функцията на резистора в тази схема? Можем ли да кажем, че това е един идеален преобразувател напрежение-ток? А каква е функцията на диода? Можем ли да кажем, че той пък е един логаритмичен преобразувател напрежение-ток? Въобще, кое е входна и кое - изходна величина?

НЕСЪВЪРШЕНСТВА. Пасивните схеми с токов изход, които сме построили до момента, са идеални (колкото и странно да звучи това). Е добре, нека по-добре да кажем, че работят при идеални условия - натоварени с идеален токов консуматор или с "накъсо" даден изход, както казват техниците :). Опитаме ли се обаче да консумираме изходната им величина с един реален товар, те се "скапват":) .Ето пак малко "подбуждащи" въпросчета: Какъв входен източник е най-подходящ за преобразувателя напрежение-ток? Колко е входното съпротивление на преобразувателя напрежение-ток? Какво ще стане, ако го управляваме с "лош" източник на напрежение? Можем ли да кажем, че "добрият" източник на ток представлява "лош" източник на напрежение? Кога идеалните (?) пасивни преобразуватели с токов изход стават реални? Какъв вид товар "предпочитат" те? Колко е изходното съпротивление на тези преобразуватели? Какво ще стане ако ги "натоварим" с реален товар? Тогава да вземем мерки ...

ПОДОБРЯВАМЕ. Започваме да разсъждаваме как първо да намалим грешките при работа с реален източник на напрежение и реален токов товар. Така ще достигнем до странната и абсурдна идея (можем шеговито да я наречем принцип на омаловажаването) да намалим грешката чрез ... въвеждане на още по-голяма грешка (?!?). Доведена до крайност, тя ни илюстрира дефиницията за идеален източник на ток, добре позната ни от електротехниката. Но тъй като ...

ИДЕАЛИЗИРАМЕ. Това компромисно решение обаче не ни удовлетворява и започваме да търсим (още тук, в "царството" на пасивните схеми с токов изход) идеалното решение, което доста по-късно би ни позволило да ги превърнем в почти идеални активни схеми с токов изход. Нещо повече ...

ОБОБЩАВАМЕ. И на следващите занятия, посветени на останалите пасивни схеми (2, 3, 4 и 5), ще продължим да търсим универсален принцип (нещо като "философски камък" :), с който да превърнем всяка една несъвършенна пасивна схема в почти идеална активна схема. Как мислите, дали има такъв принцип и къде да го открием?Можете ли да посочите примери от живота, където се прилага такава идея? Каква е разликата между пасивните и активни схеми с токов изход? Има ли някаква връзка между тях?

ДРУГИ. След като елементарната верига (закон) на Ом ни помогна да извлечем толкова полезни устройства, защо да не опитаме да направим същото и с веригите (законите) на Кирхоф? Е добре, да започнем с II закон на Кирхоф ...

Ако свържем последователно на товара няколко източника на напрежение, можем да извлечем последователен суматор на напрежения. С негова помощ, доста по-късно ще започнем да сглобяваме електронни схеми с последователна отрицателна обратна връзка: първо несъвършенни, а след това - почти идеални. Тук за първи път ще се сблъскаме и с проблема на общата "маса" в схемотехниката, заради който доста по-късно ще се принудим да "изобретим" диференциалния усилвател.

И накрая ще се позабавляваме като свържем некоректно (?) един към друг два източника на напрежение и започнем да изменяме напрежението им еднопосочно и противопосочно (само не правете това в лабораторията по токозахранващи устройства :)? Това ще ни даде идеи за бъдещо построяване на доста "абсурдни" електронни схеми.

А какво ще кажете да представим семинарното упражнение под формата на таблица? Вие също можете да обогатите тази таблица с връзки или друга информация!

Хроника на занятията ...

5.03.2004. На семинарното занятие с група 64 обсъждахме следния проблем, който "схемотехниците" често трябва да решават:

Представете си, че пред вас се намира "черна" кутия и в нея има електрически източник. Как можете да познаете що за източник е той - източник на напрежение или източник на ток, идеален или реален? А вие как ще отговорите?

Сродни интернет ресурси

Накрая, нека да видим какво казват другите по тези въпроси. За целта да се разходим из интернет за да открием интересни източници.

Интересни проблеми можем да открием в първото лабораторно занятие на курса по електроника Physics 123 преподаван от Tom Hayes от Harvard University (... show how to use the movement, plus whatever else is needed, to form a 10-mA-fullscale ammeter"). Tom Hayes е автор на Student Manual for the Art of Electronics - частта за студенти от бестселъра The Art of Electronics ("Искусство схемотехники" в превод на руски). Tom беше любезен да каже няколко поощрителни думи за нашето начинание.

Нека да видим как са направили характериограф за изследване на диоди Tom и неговите студенти (илюстрацията е от знаменитото му ръководство Student Manual for the Art of Electronics (стр.118). Е, трябва все пак да си спомните, че осцилоскопа има и XY режим, в който две входни напрежения се подават на канала Y и X. Как мислите, идеален ли е този характериограф? Ако е така, защо не се използва масово в лабораториите?

Сега нека да видим какво казва Tony Kuphaldt (Bellingham Technical College, Washington) в неговия знаменит интернет курс Lessons In Electric Circuits. В Chapter 2 той разсъждава за връзката между напрежение, ток и съпротивление; след това въвежда аналогии на закона на Ом. Разгледайте внимателно списъка Topical worksheets от неговия голям и амбициозен проект Socratic electronics; там ще откриете интересни въпроси. Tony също коментира положително идеята на пострителния подход, която реализираме с вас в момента.

А сега да разгледаме един по-практически курс по аналогова електроника - Basic Car Audio Electronics на Perry Babin. В него са показани много приложения на аналоговите схеми в автомобилната аудиоелектроника. Perry е направил специална страница с приложения на резисторите, например за ограничаване на тока. Ето какво е мнението на Perry за нашето начинание.

В Intuitive electronics Glen Williamson показва как един резистор може да изпълнява функцията на преобразувател напрежение-ток..

Интересни флуидни аналогии на електрически вериги ни представя Rod Nave в неговата hyperphysics.

Какво мислите за всичко това? Пишете на cyril@circuit-fantasia.com.

- философия - варираме - комбинираме - задачки - несъвършенства - подобряваме - обобщаваме - таблично - хроника - ресурси -