Практична робота. Монтаж і вивчення роботи світлового й теплового реле (фото- і термореле)

Монтаж і вивчення роботи світлового й теплового реле (фото- і термореле)

Обладнання: термістор (терморезистор, термоопір) ММТ-4 та фоторезистор ФС-К1 на підставках із набору Бурова, що випускається Головучтехпромом, поляризоване реле РП-5 на підставці, батарея акумуляторів напругою близько 4В, електрична лампа потужністю бОВт на підставці, вимикач демонстраційний, реостат на 300 Ом, спиртівка, ліхтар електричний кишеньковий, з'єднувальні проводи.

Короткі теоретичні відомості

Термістор і фоторезистор належать до класу напівпровідникових приладів резисторів, детальніше з якими ти ознайомишся в наступній темі.

Терморезистор - прилад, опір якого під час нагрівання значно зменшується (відповідно зростає сила струму і електричне коло замикається). Це дає змогу застосувати його в багатьох автоматичних пристроях: регулювання температури, пожежної сигналізації, контролю за температурним режимом працюючих машин і механізмів тощо.

У фоторезисторах опір зменшується під час їх освітлення, що також вказує на збільшення в них вільних носіїв заряду. Фоторезистори, як і термістори, широко використовуються в різних пристроях автоматики і телемеханіки.

Ознайомимося з простими схемами автоматики з використання термісторів й фоторезисторів.

Хід роботи

а) Фотореле.

1. Складіть електричне коло згідно рис.

2. Контакти реле РП-5 відрегулюйте так, щоб якір міг займати тільки два крайніх положення, а лампа, що включена у виконавчий ланцюг, загорялася при освітленому фоторезисторі й гаснула при його затемненні.

3. Фоторезистор освітіть ліхтарем, потім неодноразово й з різною швидкістю перетніть промінь світла рукою (принцип дії автоматичних лічильників й

сортувальників виробів). На основі досліду зробіть висновки.

4. Перемкніть контакти реле так, щоб лампа у виконавчому ланцюзі загорялася при затемненому фоторезисторі.

5. Продемонструйте принцип дії автоматичного вмикання маяків, вуличного освітлення міст тощо. Поясніть при цьому принцип дії додаткової схеми фотореле, що показана на рис. 1

6. Замініть лампу малопотужним двигуном або електричним дзвінком і продемонструйте їх автоматичне вмикання.

б) Термореле.

1. Складіть електричне коло згідно рис. 2 і продемонструйте принцип дії

автоматичного сигналізатора й регулятора температури.

Вказівка. Контакти реле РП-5 підберіть так, щоб при знеструмленому реле виконавчий ланцюг був розімкнутий. При замиканні первинного ланцюга початковий струм може пустити в хід реле навіть у тому випадку, коли термістор перебуває за кімнатної температури. Щоб виключити це явище, паралельно котушці реле ввімкніть реостат опором близько 300 Ом. Його рухливий контакт встановіть у таке положення, при якому реле втримує виконавчий ланцюг розімкнутим.

2. Нагрійте термістор і отримайте сигнал підвищення температури навколишнього середовища. Зробіть висновки.

3. Припиніть нагрів, отримайте результат, зробіть висновки.

4. Покажіть, що температуру, при якій спрацьовує реле, можна регулювати

за допомогою реостата.

5. Продемонструйте принцип дії автоматичного регулятора температури,

ввівши зворотний зв'язок між датчиком температури й лампою-нагрівачем,

включеною у виконавчий ланцюг реле.

Вказівка. Лампу встановіть під термістором замість спиртівки й ввімкніть її до нормально замкнутих контактів реле. Замкніть первинне коло. Лампа в перші моменти має світитись.

6. Спостерігайте за дослідом далі, отримайте позитивний результат, зробіть висновки.

7. Зберіть схему термореле, датчиком температури в якій є біметалева пластинка (рис. 3) Нагріваючи (за допомогою спиртівки) і охолоджуючи її продемонструйте принцип дії автоматичного терморегулятора праски, термостата тощо. Поясніть принцип і з'ясуйте умови роботи схеми. Подібні досліди можна провести з фотореле (рис. 4).

ІV. Заключний інструктаж:

- аналіз виконуваних робіт;

- аналіз помилок, які найчастіше траплялися;

- аналіз порушень трудової дисципліни;

- аналіз виконання правил ТБ;

- мотивація оцінок;

- демонстрація найкращих робіт.

V. Повідомлення теми та мети наступного заняття.

VІ. Домашнє завдання: 21

VІІ. Прибирання робочих місць, прибирання майстерні.

Рис. Типи датчиків:

1 - буйковий,

2 - манометричний трубчастий,

З — спіральний,

4 - поплавковий,

5 - мембрано-контактний,

6 - плоско-мембранний,

7 - гофровано-мембранний,

8 -фотоелектричний (фотодіод),

9 - контактний (для контролю розмірів деталей), 10 - поплавково-контактний,

11- термоелектричний (термопара)

Рис. Типи індикаторів:

1 - сигнальна лампа,

2 - стрілкові,

3 - цифрові,

4 - вимірювальний,

5 - індикатор - прилад сліпої посадки

Рис.2 Пристрій і схема термореле Рис. 1 Пристрій і схема фотореле

Рис.4 Схема фотореле з фоторезистором

Рис.3 Схема термореле з біметалевою пластиною.

1 - біметалева пластина БП; 2 - стержень (він укріплений на БП);

4, 5- контакти біметалевої пластини; 6 - нагрівальний елемент.

Заняття № Дата: Клас:

Розділ: ЕЛЕКТРОТЕХНІЧНІ РОБОТИ

Тема заняття: Напівпровідниковий діод та його застосування.

Мета: Сформувати поняття учнів про напівпровідниковий діод та його застосування, розвивати дослідницькі навички при вивченні принципу роботи діода; виховувати уважність, посидючість.

Тип заняття: ННЗ

Обладнання, матеріали, інструменти: плакат, роздатковий матеріал, зразки

Хід заняття:

І.Організація класу.

ІІ. Вступний етап:

1.Актуалізація чуттєвого досвіду і опорних знань

1. Що називається датчиком? Які типи датчиків ви знаєте?

2. Що таке виконавчий механізм?

3. Що називається індикатором? Які типи індикаторів ви знаєте?

2.Мотивація навчальної діяльності учнів.

Електричний провід (метал) проводить електричну енергію, пластмаса не проводить електричну енергію. А чи є матеріал який може пропускати електричну енергію в одну сторону, а в іншу не пропускати. От про це ви дізнаєтесь сьогодні

3. Повідомлення теми, мети та завдань заняття.

ІІІ. Основна частина:

1. Вивчення нового матеріалу.

1.1. Напівпровідниковий діод та його застосування

Прийнято вважати, що напівпровідники посідають проміжне місце між діелектриками і провідниками. За низьких температур вони майже не проводять електричний струм. Під час підвищення температури опір напівпровідників значно зменшується (на відміну від металів), що вказує на зростання в них кількості вільних носіїв заряду.

З курсу фізики ти знаєш про електропровідність напівпровідників. Коротко пригадаємо це.

За низьких температур, наприклад, у кремнію (силіцію), всі електрони атомів утворюють парноелектронні зв'язки, а тому вільних електронів немає. З підвищенням температури деякі зв'язки розриваються і електрони стають вільними (подібно до електронів металу). При розриві зв'язку утворюється вільне місце, у якому не вистачає електрона. Його називають діркою. Дірку може зайняти інший електрон, перескочивши з іншого зв'язку. При цьому складається враження, ніби дірка (у якій зосереджено позитивний заряд) переміщується по напівпровіднику. За наявності електричного поля має місце упорядкований рух носіїв заряду - електронів і дірок. Електропровідність напівпровідників при цьому називається власною. Вона збільшується за підвищення температури. Проте власна провідність незначна, оскільки вільних електронів за цих умов все ж мало. її можна значно збільшити, ввівши у напівпровідник певні домішки. При цьому одні домішки збільшують кількість електронів у напівпровіднику (напівпровідники п-типу), інші - дірок (напівпровідники р-типу). Як зазначені домішки можуть бути відповідно фосфор та індій.

Приведемо у зіткнення (наприклад, шляхом сплавляння) напівпровідник гі-типу з напівпровідником р-типу. В результаті теплового руху частина електронів із напівпровідника п-типу перейдуть у напівпровідник р-типу, а дірки - у зворотному напрямку. Електрони з напівпровідника п-типу займуть місця дірок у напівпровіднику р-типу, тому на межі поділу напівпровідників різного типу утвориться подвійний електричний шар (рис.). Його електричне поле перешкоджатиме подальшому переходу електронів у р-область й дірок в п-область, що призведе до значного збіднення на носії заряду частин напівпровідника поблизу контакту. Опір цієї частини значно зросте.

Шар підвищеного опору на межі поділу напівпровідників п-типу й р-типу називається р-п-переходом (або електрон-но-дірковим переходом). Встановимо його особливості.

Уявимо, що напівпровідник п-типу приєднаний до негативного полюса джерела напруги, а напівпровідник р-типу - до позитивного (рис. а). Під дією електричного поля електрони й дірки рухатимуться назустріч одні одним до р-п-переходу. В результаті цього концентрація носіїв в р-п-переході різко збільшується. При цьому його опір зменшиться й через перехід піде електричний струм. Розглянутий напрям включення р-п-переходу називається пропускним або прямим.

Якщо полярність вмикання переходу змінити на протилежний, то його опір значно зросте, оскільки вільні носії заряду під дією зовнішнього електричного поля рухатимуться від переходу (рис. б). Цей напрям включення р-п-переходу в електричне коло називають запірним: електричний струм через перехід буде практично відсутній.

Напівпровідниковий прилад, який має два виводи й містить один р-п-перехід називається напівпровідниковим діодом.

Як ти переконався, такий прилад добре пропускатиме струм в одному напрямі (пропускному) і практично не пропускатиме його у протилежному (запірному) напрямі. Однобічну провідність р-п-переходу діода покладено в основу побудови напівпровідникових випрямлячів.

Принцип побудови напівпровідникового діода наступний. На пластинку з монокристалу германію (або кремнію) зверху кладуть шматочок індію. Як вже зазначалося вище, така домішка до напівпровідника створить у ньому провідність р-типу (діркову). Після нагрівання до 450 - 500 °С германій та індій сплавляються. В результаті дифузії атомів індію в глибину монокристалу германію його тонкий шар збагачується індієм. Цей шар вже матиме провідність р-типу. Вся інша частина зразка германію матиме, як і раніше, провідність п-типу. Шар з провідністю р-типу у місці контакту з германієм утворюють р-п-перехід (рис.). До зразків індію і германію припаюють два виводи - контакти з металу, що не піддається окисленню. Щоб запобігти шкідливому впливу повітря й світла відповідний кристал поміщають у металевий корпус (рис. а). Загальна конструкція такого діода зображена на рис., а його умовне зображення на схемах на рис. б.

Для виготовлення діодів використовують переважно германій і кремній, рідше - арсенід галію.

Напівпровідникові діоди бувають: за типом напівпровідника -найпоширеніші германієві і кремнієві; за конструкцією — точкові і площинні; за технологією виробництва - сплавні, зварні, дифузійні; за умовами застосування — універсальні, високочастотні, імпульсні, випрямні (рис.), змішувальні, модуляційні, перемикаючі, тунельні, фотодіоди, світлодіоди, магнітодіоди та ін. Існує також клас спеціальних діодів.

Напівпровідникові діоди мають унікальні параметри і характеристики: малі габаритні розміри і маса, високий ККД (понад 99%), відсутність джерела розжарювання електронів, практично необмежений термін служби, висока надійність. Останнє зумовило надзвичайно широку сферу їх застосування. Практично важко назвати той чи інший вузол електронної апаратури, в якому не використовувалися б напівпровідникові діоди. Вони практично повністю витіснили вакуумні діоди як випрямлячі змінного струму. До речі, саме за аналогією функцій напівпровідникові діоди названі діодами. Нині напівпровідникові діоди з успіхом забезпечують постійним електроживленням переважну більшість сучасних електронних схем.

Значного поширення в техніці, автоматичних пристроях, побуті й народному господарстві набули фотодіоди, світлодіоди та інші типи діодів.Немає сумніву, що напівпровідникові діоди й у майбутньому матимуть першочергове значення, безперервно вдосконалюючись й оновлюючись.

У техніці напівпровідникові діоди прийнято називати вентилями.

2. Первинне закріплення (осмислення та встановлення об’єктивних зв’язків і залежностей в новому матеріалі):

1. Які матеріали називають напівпровідниками?

2. Що таке р-п-перехід?

3. Що називається напівпровідниковим діодом? За якими ознаками класифікуються діоди?

ІV. Заключний інструктаж:

- підбиття підсумків уроку;

- аналіз порушень трудової дисципліни;

- мотивація виставлених оцінок.

V. Повідомлення теми та мети наступного заняття.

VІ. Домашнє завдання: 22

VІІ. Прибирання робочих місць, прибирання майстерні.

Рис. Як утворюється р-п-перехід

Рис. Як р-п-перехід проводить струм

Рис. Зовнішній вигляд різного

типу діодів (а) та їх схематичне зображення (б)

Рис. Утворення р-п-переходу

Рис. Конструкція напівпровідникового діода

Заняття № Дата: Клас:

Розділ: ЕЛЕКТРОТЕХНІЧНІ РОБОТИ

Тема заняття: Випрямляч змінного струму. Схеми випрямлення.

Мета: Ознайомити учнів з будовою і принципом роботи випрямляча змінного струму, схемами випрямлення змінного електричного струму, розвивати допитливість, виховувати зацікавленість.

Тип заняття: ФЗВН

Обладнання, матеріали, інструменти: плакат, роздатковий матеріал, зразки

Хід заняття:

І.Організація класу.

ІІ. Вступний етап:

1. Актуалізація чуттєвого досвіду і опорних знань, та знань, які лежать в основі вміння.

1. Які матеріали називають напівпровідниками?

2. Що таке р-п-перехід?

3. Що називається напівпровідниковим діодом?

4. За якими ознаками класифікуються діоди?

2. Мотивація навчальної діяльності учнів.

Існує багато побутових приладів, які працюють на постійному струмі. Але із електромережі ми отримуємо змінний струм. Таким чином, для того, щоб користуватися такими електроприладами, необхідно, як кажуть, випрямити змінний струм, перетворити його в постійний, яким чином це відбувається, з допомогою яких пристосувань. Про все це ви дізнаєтесь на сьогоднішньому уроці.

3. Повідомлення теми, мети та завдань заняття.

ІІІ. Основна частина:

1. Вивчення нового матеріалу.

1.1. Випрямляч змінного струму. Схема випрямлення.

Помічено, що при обертанні дротяної рамки у сталому магнітному полі в ній виникає електричний струм (рис.).

При цьому встановлено, що протягом першої половини оберту рамки навколо своєї вісі та другої половини оберту струм в колі має протилежні напрямки (прямий і зворотний струм). Таким чином, за один оберт рамки електричний струм у ній здійснює одне повне коливання (вперед та назад). Змінний струм (наприклад, у мережі вашої квартири) за 1 с здійснює 50 таких коливань, а тому кажуть, що частота змінного струму дорівнює 50 Гц.

Крім того, за півоберт рамки струм у колі змінює свою величину від нуля до певного максимального значення їм й знову до нуля. Те саме має місце й протягом другого півоберта рамки. Кажуть, що має місце пульсація струму. Для кількісної характеристики пульсації вводять коефіцієнт пульсації Кр.

Струм, який періодично змінюється за величиною і напрямом, називається змінним. Його графік зображений на рис.

Зрозуміло, що змінному струму буде відповідати і змінна напруга, графік якої матиме такий самий вигляд. Змінна напруга позначається умовним символом ~.

Перші додатна і від'ємна частини синусоїди відповідають одному повному коливанню струму в рамці (вперед та назад). Потім процес повторюється. Час, протягом якого здійснюється одне повне коливання, називається періодом коливання змінного струму. Перша і друга частини синусоїди відповідають першому і другому півперіоду змінного струму чи змінної напруги мережі. їх ще називають додатним і від'ємним півперіодами змінної напруги. Всі введені поняття ми використовуватимемо.

Електричний струм, що використовується в побуті і на виробництві, - змінний. Такий струм зручний для передавання на великі відстані і для розподілу між споживачами.

Проте значна кількість елементів сучасних електронних пристроїв споживають електричну енергію у вигляді постійного струму.

Найпоширенішими джерелами постійного струму є гальванічні елементи та акумулятори. Проте термін їх служби або обмежений (гальванічні елементи), або ж для їх періодичного зарядження потрібно інше джерело (акумулятори). Тому для отримання постійного електричного струму найбільше використовують напівпровідникові випрямлячі. Вони дають змогу отримувати будь-яку кількість електроенергії безпосередньо від електричної мережі.

Нині використовують різноманітні типи випрямлячів, які розрізняють за кількістю фаз струму, що випрямляються, типом діодів, схемами їх вмикання тощо. Для живлення різноманітних вузлів і блоків електронної апаратури використовують напівпровідникові випрямлячі, які працюють від однофазної мережі змінного струму. Ці випрямлячі називаються однофазними. їх ми й розглядатимемо.

Напівпровідникові випрямлячі поділяються на однопівперіодні та двопівперіодні. Такі самі назви мають і схеми випрямлення, що їм відповідають.

Однопівперіодною називається схема випрямлення, в якій струм через діод проходить лише протягом одного (першого) півперіода змінної напруги мережі.

Двопівперіодною називають схему, в якій струм через діод проходить протягом обох півперіодів.

Схему найпростішого випрямляча подано на рис.

Напівпровідниковий діод ввімкнений в коло змінного струму послідовно з навантаженням Рп (споживачем) і перетворювачем величини змінної напруги -трансформатором (з його будовою та дією ти ознайомишся пізніше). У цій схемі струм через діод протікатиме тільки протягом першого додатного півперіода змінної напруги її, що діє на затискачах перетворювача напруги. В цей час напруга для діода є прямою, що відповідає пропускному (прямому) напрямку вмикання р-п-переходу діода. Діод - відкритий.

У другій половині півперіода до діода прикладається зворотна напруга (змінюється полярність його підключення). Опір діода різко збільшується і струм у колі практично відсутній. Це відповідає запірному напрямку включення р-п-переходу.

Розглянута схема випрямлення називається однопівперіодною. Оскільки вона «працює» тільки половину періоду, то струм у колі дуже пульсує. Окрім зміни його величини він взагалі відсутній протягом другого півперіода змінної напруги. Коефіцієнт пульсації при цьому (як показали розрахунки) досить високий - 157%. Це є головним недоліком однопівперіодної схеми випрямлення. Є й інші недоліки. Тому така схема в сучасних випрямлячах застосовується рідко. Графік випрямленого струму для цього випадку зображено на рис. а.

Для того щоб використати обидва півперіоди змінної напруги, застосовують двопівперіодні схеми випрямлення (відповідно - двопівперіодні випрямлячі). Однією з таких схем є місткова схема випрямлення змінного струму, яка зображена на рис. а. Розглянемо принцип її роботи.

Схема (випрямляч) містить чотири напівпровідникових діодів Д1 -Д4. У додатний півперіод змінної живлячої напруги відкриті діоди Д1 і ДЗ, а діоди Д2 і Д4 замкнуті зворотною (від'ємною) напругою. Напрям струму в навантаженні Кп зображено стрілкою на рис. б.

У від'ємний півперіод діоди працюють навпаки: Д₂ і Д₄ відкриті й пропускають струм, а Д₁ і Д_З замкнуті. Завдяки цьому, як видно на рис.в, струм у навантаженні зберігає попередній напрям.

Оскільки у містковій схемі випрямлення відбувається в обидва півперіоди змінної напруги, то пропуски на графіку струму відсутні (рис.б).

Як показують розрахунки, для двопівперіодної схеми випрямлення Кп = 67%. Отже, ця схема забезпечує згладженіший (тобто, менш пульсуючий) випрямлений струм. Проте слід розуміти, що отриманий і в цій схемі струм ще не можна назвати постійним. Це пульсуючий струм сталого напряму, але змінний за величиною.

Двопівперіодне випрямлення має значні переваги перед однопів-періодним, проте пульсація струму залишається ще занадто великою. Принагідно зазначимо, що в більшості випадків для живлення сучасної електронної апаратури допускається досить незначна пульсація випрямленого струму. К_n рівен при цьому 0, 1; 0, 01 і навіть 0, 001%.

1.2. Згладжуючі фільтри. Поняття про стабілізатори

Для зменшення пульсацій і максимального наближення випрямленого струму до постійного (відповідно, те саме стосується і напруги) використовують згладжуючі фільтри.

У найпростішому випадку фільтром може слугувати конденсатор С великої ємності, умовне зображення якого наступне: ІІ. Він підключається паралельно споживачу R_н (рис. а). Застосовуються і складніші згладжуючі фільтри, які містять кілька елементів (рис. б). Тут фільтр складається з двох конденсаторів і двох опорів К₁ і К₂.

Згладжуючі фільтри дають змогу зменшити К_п до 0, 1 і навіть 0, 01%.

Незважаючи на застосування в електронній апаратурі згладжуючих фільтрів, напруга на опорі навантаження випрямляча (споживачі) може змінюватися. Причиною останнього може бути, наприклад, коливання напруги мережі тощо. З метою підтримування заданої величини постійної напруги на опорі навантаження застосовуються стабілізатори напруги.

Стабілізатором напруги (струму) називається пристрій, який автоматично і з необхідною точністю підтримує напругу (струм) на споживачі за наявності дестабілізуючих чинників в електричній мережі.

2. Первинне закріплення (осмислення та встановлення об’єктивних зв’язків і залежностей в новому матеріалі):

1. Поясніть явище утворення змінного струму.

2. Що називають напівпровідниковим випрямлячем? Який принцип роботи випрямляча?

3. Які типи випрямлячів ви знаєте?

4. Що називається згладжуючим фільтром?

5. Для чого використовуються фільтри?

6. Що таке стабілізатор напруги?

3Вступний інструктаж до практичної роботи учнів:

- пояснення і показ трудових прийомів та операцій, якими мають володіти учні, з обґрунтуванням кожної дії;

- ознайомлення з інструкційними картами;

- акцентування уваги на правила ТБ;

- закріплення та перевірка засвоєння учнями навчального матеріалу (відтворити показані прийоми, провести певні розрахунки, повторити технічні вимоги до якості роботи);

4. Поточний інструктаж:

4.1 Цільові обходи робочих місць учнів:

- перевірка організації робочого місця;

- перевірка правильності виконання трудових прийомів;

- перевірка правильності виконання трудових операції;

- перевірка вміння користуватися технічною документацією, інструментами;

- перевірка дотримування правил ТБ.

4.2 Індивідуальний інструктаж учнів.

4.3 Додатковий інструктаж при умові однакових помилок значною частиною учнів.