Семинарно упражнение 2 (8-13 март, 2004)

Токът поражда напрежение: Пасивни преобразуватели с напреженов изход

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

На второто занятие ще извлечем още 10 елементарни блокчета, с които ще обогатим колекцията си от базови схеми (общо 20):

ФИЛОСОФИЯ. Като приехме, че напрежението поражда тока (семинарно упражнение 1) в най-елементарната електрическа верига на Ом, захранвана от източник на напрежение, успяхме да извлечем няколко изключително полезни пасивни аналогови устройства. Нека сега да допуснем обратната причинно-следствена връзка в закона на Ом - токът поражда напрежение. Какво означава това? За да отговорим на този въпрос, ще разгледаме различни аналогии (механични, флуидни, психологически ...), в които действа обратният феномен - движението поражда налягане.

Експеримент. Е, най-забавната от тези аналогии е може би една прахосмукачка (източник на флуиден "ток"), която едновременно "духа" и "смуче" въздуха в затворен кръг. Това ще бъде въображаем експеримент, но нямам нищо напротив ако някой донесе една такава "антика" (на времето се казваха "Ракета") с гъвкав маркуч и също един манометър :). Как мислите, колко е налягането в кръга по протежение на "контура"? Благодаря за отговора, сега да стиснем маркуча в средата (т.е. да създадем "съпротивление") и отново да си зададем същия въпрос.

Е добре, можете ли да дадете още аналогии (колкото се може по-забавни) на този феномен, където нещо се движи спокойно, но среща съпротивление и в резултат възниква налягане? Например, студент, който се движи спокойно по "стълбицата" на образованието си, но среща "лош" преподавател и за да си вземе изпита му упражнява налягане:). Или пък, преподавател, който ....... :(.

В крайна сметка, тези експерименти ни подсказват, че трябва да захраним елементарната електрическа верига на Ом с източник на неизменен ток, а не с източник на напрежение.
Как мислите, можел ли е Ом да направи този експеримент? И дали това е имало смисъл за него? А сега да продължим нататък ...

ВАРИРАМЕ. Изменяйки сега вече тока и съпротивлението като входни величини и отчитайки напрежението като изходна величина, образно казано ще "изобретим" още три елементарни и неделими схемни "блокчета" - пасивните аналогови преобразуватели ток-напрежение, ток-съпротивление и умножител ток х съпротивление. Нека да визуализираме и тяхното действие: напрежението - с потенциални стълбчета и диаграми; тока - с токови контури; работната точка - с насложени волт-амперни характеристики (графоаналитично).

Ето пак малко "провокиращи" въпроси: Какво е това идеален преобразувател ток-напрежение? Съществува ли наистина такова устройство? Каква е връзката между входната и изходната величина на преобразуватели ток-напрежение и съпротивление-напрежение? Обратимо устройство ли е преобразувателя ток-напрежение? Какво ще стане, ако разменим входа и изхода му? Обратимо устройство ли е преобразувателя съпротивление-напрежение? А дали е линейно устройство и има ли значение това? Как можем да визуализираме работната точка на тези преобразуватели? След това пак започваме да ...

КОМБИНИРАМЕ. Като групираме тези елементарните блокчета в по-сложни, съставни блокчета, можем да изградим: източник на напрежение, управляван с ток (идеята на Нортън); съставен амперметър, направен от волтметър (тук пак става въпрос не само за познатите ни от класическата измервателна техника уреди, а за обобщени устройства, възприемащи ток и напрежение); източник на напрежение, управляван със съпротивление; съставен омметър, направен от волтметър; косвено измерване на неелектрични величини чрез резистивни сензори; ще разгледаме и бъдещи устройства на идейно ниво - умножаващ цифрово-аналогов преобразувател (матрица R-2R) с опорен (входен) ток и напреженов изход.

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

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

Въпроси: Идеални устройства ли са схемите с напреженов изход? Какво е това идеален напреженов товар (условно наречен така) - дайте примери от електротехниката, измерванията, ППЕ? Съществува ли въобще такъв? Възможно ли е да мерим без да консумираме енергия? Идеален ли е електростатичният волтметър? Ясно, стигнахме до проблемите на пасивните схеми ...

Задачка (за шофьори, а и не само за тях:). Представете си, че искате да измерите силата на тока, с който алтернаторът зарежда акумулатора в една кола (да приемем, че той не надвишава 10 A). На всичкото отгоре, сте решили да го направите "културно", без да разкачате или режите проводника (т.е., не можете просто да включите един амперметър за 10 A между алтернатора и акумулатора). За да реши този проблем, Stoyan направи цяла схемичка с операционен усилвател 741, таймер 555 (защо ли пък му е бил необходим той?), резистори, диоди и накрая - една магнитоелектрична измервателна система (микроамперметър с чувствителност 100 микроампера и вътрешно съпротивление 1 к). Radi пък, като по-хитър, просто взе само микроамперметъра и го включи така, че той направо започна да му показва тока?!? Как мислите го е направил този трик? Подсещащ въпрос: Можем ли да включим един амперметър като ... волтметър?

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 ток-напрежение? А каква е функцията на диода? Можем ли да кажем, че той пък е един антилогаритмичен преобразувател напрежение-ток? Въобще, кое е входна и кое - изходна величина?

НЕСЪВЪРШЕНСТВА. Пасивните схеми с токов изход, които построихме миналия път, бяха идеални (колкото и странно да звучи това). С други думи, те работеха при идеални условия, натоварени с идеален токов консуматор или с "накъсо" даден изход. Спомняте ли обаче как "клякаха" те щом се опитвахме да консумираме изходната им величина с един реален товар :)? А схемите, които извлякохме на днешното занятие, са точно такъв товар.

Ето пак малко "подбуждащи" въпросчета: Какъв входен източник е най-подходящ за преобразувателя ток-напрежение? Колко е входното съпротивление на преобразувателя ток-напрежение? Какво ще стане, ако го управляваме с "лош" източник на ток? Можем ли да кажем, че "добрият" източник на ток представлява "лош" източник на напрежение? Какъв вид товар "предпочитат" преобразувателите с напреженов изход? Колко е изходното съпротивление на тези преобразуватели? Какво ще стане ако ги "натоварим" с реален товар? Тогава да вземем мерки за усъвършенстване на схемите ...

ПОДОБРЯВАМЕ. Започваме да разсъждаваме как първо да намалим грешките при работа с реален източник на ток и реален напреженов товар. Така ще достигнем до идеята да намалим грешката чрез намаляване на чувствителността. Е, можем да усъвършенстваме входния източник на ток, както направихме на миналото занятие стига да имаме достъп до него. А ако нямаме?

ИДЕАЛИЗИРАМЕ. Явно, когато една пасивна схема с токов изход (източник на сигнал) захранва схема с напреженов изход (товар) се появява противоречие: от една страна, товарът трябва да има малко (най-добре нулево) съпротивление за да не смущава входния източник; от друга страна обаче, той трябва да има голямо съпротивление за да имаме голям коефициент на предаване. Просто казано, трябва товарът едновременно да го има и да го няма?!? Как е възможно това? Е добре, вместо да се чудим на този парадокс, нека да започнем да търсим още тук, в "царството" на пасивните схеми с напреженов 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 (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 напреженов изход? Има ли някаква връзка между тях?

ДРУГИ. След като II закон на Кирхоф ни помогна да извлечем толкова полезни устройства, защо да не опитаме да направим същото и с първия му закон?

Ако свържем паралелно на товара няколко източника на ток, можем да извлечем паралелен суматор на токове, почти толкова (ако не и повече) полезен, колкото и последователния суматор на напрежения от миналия път. С негова помощ, доста по-късно ще започнем да сглобяваме електронни схеми с паралелна отрицателна обратна връзка.

И накрая ще се позабавляваме като свържем некоректно (?) един към друг два източника на ток и започнем да изменяме силата на тока на единия, другия или и на двата едновременно (еднопосочно и противопосочно)? Това ще ни даде идеи за бъдещо построяване на доста "абсурдни" електронни схеми.

Искате ли пак да представим семинарното упражнение под формата на таблица? Вие също можете да обогатите тази таблица с връзки или друга информация!

Хроника на занятията ...

Един млад американец от Ню Йорк - Charles Perard, проявява интерес към нашите "построителни" семинарни занятия в интернет. Неговата история е доста показателна и поучителна за нас. Той ви е почти връстник и ви е бил колега в престижен университет, но впоследствие е отпаднал от "класирането". Защо, ще разберете от биографията му, в които описва "перипетиите" си в системата на образованието в САЩ. Как мислите, тук по-различно ли е от това, което описва Charles в писмото си?

12.03.2004. Днес сутринта, на семинарното занятие колегите ви от група 64 проявиха желание да запишат символично Charles в тяхната група. Аз мисля, че групата, която е най-активна на упражненията заслужава да направи това. Така, че група 61 има шанс днес следобяд. А вие как мислите? К. Мечков

А ето и "обратна връзка" от ваш колега, който има някои забележки (той даже си е направил труда да илюстрира това). Бихте ли коментирали неговите думи така, че да се получи дискусия?

Zdr, Misleh si, za njakoi primeri, koito dadohme na uprajnenijata. Ne sum suglasen, 4e v primera s pompata pri stesnjavane na markucha, predi stesnenieto naljaganeto shte e po-visoko, a sled nego shte e po-nisko, spored men, naljaganeto predi i sled stesnenieto shte e ednakvo, a samo v stesnenieto 6te e po-goljamo. V protiven sluchaj izliza, che ne cjalata technost shte premine prez stesnenieto => shte se subira predi tova => v edin moment shte se skusa markucha. Drugo, za dulgite linii. Kazahme, 4e se izpolzvat izto4nici na tok, zaradi rezistorite i induciranite naprejenija. No pri parazitna induktivnost (I=L/psi), pri promjana na L => shte se promenja I. Kak se izbjagva tozi problem I nakraja: A problem: Can you measure a big current (10 A) by using only 0.1mA meter movement (with 1 k internal resistance) without any shunt resistor?!? Hint: may we connect the ammeter as a ... voltmeter? Jalko, 4e ne stana duma za tova. Paralelno li trjabva da se vurje(kakto na prilojenija 4ertej)? A dali e vuzmojno da se izchisli s takava tochnost suprotivlenieto na provodnika, che da ima smisal polzvaneto na Ampermetura? ~Pe60

Сродни интернет ресурси

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?

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

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

1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   11

home - english - въведение - колекция - съдържание - ресурси - отзиви - цифрова