Розділ 2

Робота №2. Джерела електричного струму для демонстраційного експериметру

Мета роботи. Ознайомитится з приладами, які забезпечують електроживлення дослідних установок і приладів при проведенні демонстраційного експериметру; освоїти методику їх застосування та вибору.

Загальний опис приладів

Комплект електропостачання кабінеті прирдничо-наукового циклу

КЭСЕ-1

Комлпект призначений для використання в системах електрозабезпечення навчальних кабінетів природично-наукового циклу загальноосвітніх навчальних закладів. Він забезпечує живлення навчальних приладів при проведенні демонстраційних дослідів, фронтальних лабораторних робіт та лабораторних практикумів. Комплект дозволяє знижувати напругу змінного струму з 220 В до 42 В з наступним перетворенням на постійну напругу 4 В на робочих місцях учнів.

Зовнішній вигляд приладу показано на мал. 11.

Мал. 11

Загальний опис будови приладу

Основний блок комплекту має металевий корпус прямокутної форми й пристосований для стаціонарного закріплення на стіні навчального кабінету.

У ньому розміщені: знижувальний трансформатор; пристрій автоматичного вимкнення, призначений для захисту від ураження електричним струмом; автоматичний вимикач мережі; сигнальна неонова лампа, яка є індикатором увімкнення приладу; три автоматичних вимикачі ліній навантаження 42 В захисту цих ліній від перевантаження. До комплекту входить також набір джерел живлення для фронтальних лабораторних робіт ИПФ, мал. 12

Мал. 12

Електрична схема приладу показана на мал. 13.

Мал. 13

• VТ1 - трансформатор ОСМ1-1М-УЗ
• А1 - пристрій захисного вимикання УЗО 01-2П ДЭК01-2-16-30
• HL-1 - лампа неонова 220VАС
• UF-1 - вимикач автоматичний ВА-101-2/10
• UF2...UF4 - вимикач автоматичний ВА-101-1/10

Технічні характеристики КЭСЕ-1

№	Параметр	Значення параметра
1	Номінальна напруга живлення, В	220 ±10%
2	Частота струму, Гц	50-60
3	Номінальна вихідна потужність, не менше, кВА	1,0
4	Номінальна вихідна напруга, В	42 ±10%
5	Макс. трум навантаження трьох ліній, не менше, А	25

Комплект електропостачання універсальний

Мал. 14

Комплект електропостачання (КЕС, раніше КЕСФ, КЕХ) призначений для оснащення кабінетів, лабораторій фізики середніх загальноосвітніх шкіл і застосовується для забезпечення електроживленням приладів, установок, електросхем при проведенні демонстраційних дослідів, фронтальних і лабораторних робіт, практикумів, гурткових і факультативних занять (мал. 14). Комплект дозволяє здійснювати перетворення змінної напруги 220 В у напругу 42 В і розводку останньої до робочих місць учнів з подальшим перетворенням (за необхідності) на випрямлену напругу 4 В.

Він призначений для живлення лабораторних джерел змінною напругою живлення 42 В, і для подачі напруги 4 В на кожну парту в класі для проведення лабораторних робіт з фізики, електротехніки, хімії.

Короткий опис комплекта

У корпусі КЕС зібрані:

• знижувальний трансформатор 220/5/42 В потужністю 1,6 кВА;
• три діодні випрямні мости, з’єднані паралельно для збільшення потужності по струму і комутаційних елементів;
• автоматичних вимикачів АВ1, АВ3 (двополюсних) для увімкнення електроживлення по рядах парт і комутації (одночасно) індикаторних ламп;
• АВ4 для увімкнення мережі й здійснення захисту від перевантажень;
• Т1, Т2 автомати, які служать для вибору роду струму живлення споживачів = 4 В або ~ 42 В.

При живленні споживачів від джерела 4 В здійснюється двопівперіодне випрямлення струму випрямними мостами М1, М2, М3 і подача постійного струму безпосередньо по рядах. При живленні від джерела ~ 42 В напруга знімається безпосередньо з клем трансформатора й комутується універсальними елементами АВ1-АВ3. Основні технічні характеристики КЕС виконаний в жорсткому металевому корпусі, здатному забезпечити захист електричних елементів і монтажу від механічних пошкоджень і доступу людей до струмопровідних частин устаткування.

Основні електротехнічні параметри

№	Параметр	Значення параметра
1	Споживана потужність кВА	не більше 0.8
2	Електроживлення від мережі змінного струму	напругою 220В, частотою 50-60 Гц
3	Вихідна напруга при зміні струму навантаження від "0" до "mах" від джерела ~ 42 В	42-38 В
4	Вихідна напруга при зміні струму навантаження від "0" до "mах" від джерела 4 В	4-2,8 В
5	Максимально допустимий струм від джерела ~ 42 В трьох ліній одночасно	10 А (не більше 20 хвилин) 5 А (не більше 40 хвилин)
6	Максимально допустимий струм від джерела 4 В трьох ліній одночасно	5 А (не більше 20 хвилин) 10 А (не більше 40 хвилин)

Підготовка до роботи та перевірка приладу

• відкрити ключем зовнішні дверцята (далі в процесі роботи вони повніші залишатися відкритими);
• включити тумблери Т1 або Т2 на вибране джерело живлення 4 В або ~42 В;
• включити АВ4 "УЗО";
• спалахує червона лампочка наявності мереж;
• включити АВ1 - спалахує зелена лампочка живлення 1-го ряду;
• включити АВ2 - спалахує зелена лампочка живлення 2-го ряду;
• включити АВ3 - спалахує зелена лампочка живлення 3-го ряду;
• КЕС готовий до роботи.

Після закінчення робіт відключити АВ4.

Техніка безпеки при роботі з приладом

1. Експлуатація КЕС при пошкодженні елементів захисту й управління ЗАБОРОНЕНА.
2. Експлуатація КЕС з перевищенням параметрів по струму й часу, вказаним вище, ЗАБОРОНЕНА.
3. Експлуатація КЕС із закритими зовнішніми дверцятами (щоб уникнути перегріву) ЗАБОРОНЕНА.
4. Після закінчення роботи КЕС має бути відключений від мережі живлення автоматичним вимикачем № 4 "УЗО".
5. Проводка для живлення КЕС ~ 220 В і дроти, що відходять, 4 В; ~ 42 В мають бути проведені в різних трубах. До болта заземлення має бути підключений дріт заземлення безпосередньо від щита живлення.
6. Автоматичні вимикачі Т1 і Т2 для уникнення короткого замикання повинні вмикатися по черзі на вибрану робочу напругу ~ 42 в або 4В.
7. Одночасне увімкнення Т1 і Т2 ЗАБОРОНЕНЕ!

ВИПРЯМЛЯЧ В-24

Випрямляч В-24 (мал. 15) призначений для живлення регульованим змінним струмом та випрямленим пульсуючим струмом електричних кіл при проведенні демонстраційного експерименту на уроках фізики. Випрямляч перетворює змінний електричний струм частотою 50 Гц напругою 220 В у постійний струм та випрямлений (пульсуючий) струм з плавно регульованою напругою.

Мал. 15

Будова і робота випрямляча

У металевому корпусі випрямляча встановлено: тороїдальний трансформатор; випрямляч, зібраний на напівпровідникових діодах за містковою схемою; щиток із запобіжником. На передній панелі розташовані: вольтметр і амперметр, які показують напругу й силу випрямленого струму, ручка регулювання вихідних напруг, сигнальна лампочка, вимикач, дві пари універсальних клем для живлення кіл змінного та постійного струму. На задній стінці корпусу розміщено гвинт для приєднання заземлення.

Принципова схема випрямляча показана на мал. 16.

Мал. 16

Випрямляч В-24 є модифікацією випрямлячів ВС-24 та ВС-24М, не відрізняються від нього за принциповими схемами, але випрямлення струму в них здійснюється селеновими випрямлячами, а вимірювальні прилади мають інше конструктивне оформлення.

Вказівки до експлуатації

Працювати з випрямлячем дозволяється тільки вчителю!

Сумарна сила випрямленого та змінного струмів на виході випрямляча не повинна перевищувати 10 А.

Час безперервної роботи випрямляча не більше 45 хв.

Перед увімкненням прилада в мережу прилад має бути заземленим.

Технічні характеристики

№	Параметр	Значення параметра
1	Номінальна напруга живлення, В	220 ±10%
2	Частота струму, Гц	50-60
3	Споживана потужність, Вт	не більше 250
4	Номінальна вихідна нерегульована напруга, В	42 ±10%
5	Вихідна регульована напруга постійного струму	0...24 В (до 10 А)
6	Вихідна регульована напруга змінного струму	0...24 В (до 10 А)

Джерело живлення демонстраційне ИПД-1

Прилад призначений для живлення демонстраційних електроустановок на уроках фізики в загальноосвітніх школах.

Мал. 17

Будова і дія приладу

Прилад змонтований у пластмасовому корпусі (мал. 17). На Передній стінці розташовані клеми для під’єднання навантаження, ручка регулятора для встановлення напруги, вольтметр класу точності 2,5, перемикач режимів, вимикач мережі. На задній стінці розміщені запобіжники на 0,4 А і 2 А.

Технічні характеристики

№	Параметр	Значення параметра
1	Номінальна напруга живлення, В	220 ±10%
2	Частота струму, Гц	50-60
3	Вихідна напруга	1,2-24 В
4	Максимальний струм навантаження, А	2
5	Споживана потужність, Вт	не більше 50
6	Нестабільність вихідної напруги при коливанні напруги в мережі 10%	не більше 2%

Вказівки щодо експлуатації та заходи безпеки

Перш ніж увімкнути прилад необхідно переконатися в правильності встановлення запобіжників (відповідно до напруги мережі). Одночасно може бути встановлений лише один запобіжник: 0,5 А для напруги 127 В або 0,2 А напруги 220 В. Перед увімкненням приладу тумблером ручку регулятора напруги повернути проти годинникової стрілки до упора, під’єднати до клем навантаження (не менше 5 Ом на межі вимірювання 0...12 В и не менше 12 Ом на межі 0...24 В), увімкнути прилад і установити регулятором необхідну напругу на навантаженні. Час неперервної роботи приладу не більше 30 хвилин, після чого необхідна перерва 10 хвилин.

Вказівки до експлуатації та заходи безпеки

Перед використанням прилад необхідно заземлити!
При ремонті й заміни запобіжників прилад необхідно вимикати з мережі!

Підготовка до роботи та перевірка приладу

1. Зняти з від’єднаного від мережі випрямляча кожух та познайомитися з внутрішньою будовою приладу. Перевірити, чи відповідає запобіжник і його розміщення напрузі в мережі.
2. Закрити прилад кожухом. Скласти коло для визначення напруги на виході в залежності від сили струму в колі споживача.
3. Визначити значення напруг на виході при різних струмах навантаження випрямляча й занести в таблицю.
4. Приєднати до вихідних клем приладу конденсатор ємністю 20... 30 мкФ. Виміряти вихідну напругу в цьому випадку U_c = ? Поясніть результат досліду.

УВАГА! Якщо конденсатор електролітичний, то зверніть увагу на полярність його під’єднаний ("+" до до "+", "-" до до "-")!

Вирямляч ВУП-2м

Випрямляч напівпровідниковий універсальний ВУП-2м призначений для живлення демонстраційних радіотехнічних і електротехнічних приладів на уроках фізики в загальноосвітній школі.

Будова приладу

Він призначений для живлення приладів, які мають великий внутрішній опір і потребують підвищену напругу живлення, а саме: індикатор йонізуючих випромінювань, комплект приладів для вивчення властивостей електромагнітних хвиль, вакуумні електронні лампи, вакуумний фотоелемент, прилад для вивчення властивостей електронних пучків та ін. Його принципова електрична схема показана на мал. 18.

Мал. 18

Для регулювання вихідних напруг використовуються змінні резистори R1, R2.

Технічні характеристики

№	Параметр	Значення параметра
1	Номінальна напруга живлення, В	220 ±10%
2	Частота струму, Гц	50-60
3	Випрямлений струм до 50 мА з плавно регульованою напругою, В	від 0 до 100 ±10
4	Випрямлений струм до 5 мА з плавно регульованою напругою, В	-100 ±5 ±100 ±5 В
5	Змінний струм до 3 А напругою, В	6,3 ± 0,5
6	Випрямлений струм до 200 мА напругою, В	350 ± 10

ГЕНЕРАТОР "СПЕКТР-1"

Генератор високовольтний шкільний "Спектр-1" призначений для проведення дослідів зі спектральними трубками.

Будова та принцип дії

Генератор змонтовано у пластмасовому корпусі. На корпусі встановлено футляр з відкидною кришкою для кріплення спектральних трубок. На бічній поверхні корпусу встановлено універсальні клеми для приєднання джерела живлення.

Прилад являє собою релаксаційний генератор із трансформаторним зв’язком, зібраний на транзисторі VТ1, і трансформаторі Тр. Діод VD1 захищає генератор, якщо на вхідні клеми помилково подають напругу зворотньої полярності.

Принципова схема приладу показана на мал. 19.

Мал. 19

Технічні характеристики

№	Параметр	Значення параметра
1	Номінальна напруга живлення, В	8
2	Вихідна напруга холостого ходу, кВ	3±0,3

Заходи безпеки при роботі з приладом Спектр-1

1. Високовольтні виходи приладу в робочому стані повинні бути накриті захисним кожухом.

2. Поруч з приладом не повинні знаходитися сторонні предмети, через які можливі випадкові контакти з елементами, що мають високий потенціал.

ПЕРЕТВОРЮВАЧ ВИСОКОВОЛЬТНИЙ "РАЗРЯД-1"

Перетворювач призначений для демонстрації дослідів з електростатики та електродинаміки за програмою середньої школи.

Будова і принцип дії

На верхній панелі перетворювача розташовані клавіші вимикача, клавішний та дисковий перемикачі вихідної напруги 5/25 кВ, кнопка запуску, якщо відбувся зрив генерації, клеми виходу 25 кВ, у які вставляються борни. Відстань між борнами можна регулювати, кульки можна знімати.

Для отримання потрібної напруги необхідно клавішний та дисковий перемикачі встановити у відповідні положення. Для цього дисковий перемикач слід вийняти з гнізд і переставити так, щоб мітка вказувала на потрібну напругу.

На бічних поверхнях у нішах розташовано клеми живлення та виходу 5 кВ. Постійна напруга живлення подається на клеми живлення генератора, який зібраний за схемою несиметричного мультивібратора з індуктивним зворотнім зв’язком на транзисторах VТ1 та VТ2 і підвищувальному трансформаторі Т1 (мал, 20). Висока змінна напруга знімається з вторинної обмотки трансформатора і перетворюється за допомогою схеми подвоєння на випрямлячах VD5-VD8, VD-11, VD-12 і конденсаторах C3, С4 у постійну напругу 25 кВ. Для виходу 5 кВ випрямлення високовольтної змінної напруги здійснюється за допомогою діодів VD5, VD8-VD10 і конденсатора С2.

Мал. 20

Перетворювач має електронний захист від перенапруги на вході до 17 В, зібраний на транзисторі VT3 і діодах VD2-VD4.

Технічні характеристики

№	Параметр	Значення параметра
1	Номінальна напруга живлення, В	0...12
2	Активне навантаження, МОм	1) 5; 2) 220
3	Максимальна споживана потужність, не менше, Вт	20
4	Номінальна вихідна напруга, кВ	1) 0...25±10%; 2) 0,..5±10%
5	Поріг спрацювання захисту перетворювача від перенапруги струму живлення, В	13...17

Заходи безпеки

Забороняється доторкатися до елементів схеми, які gеребувають під високою напругою. Місце роботи, де знаходиться перетворювач, необхідно тримати в чистоті, на ньому не повинно бути сторонніх предметів, через які може відбутися випадковий контакт із елементами, що мають високий потенціал. При ознайомленні з електроприладами забороняється перемикати напруги та знімати кришки, якщо прилад увімкнено м мережу. Працювати з приладами дозволяється тільки вчителю. Перед початком роботи прилади мають бути заземленими.

Підготовка до роботи

1. Особливості добору джерел живлення

Однією із проблем, з якою стикаються вчителі фізики мри підготовці фізичного експерименту, є добір джерел живлення експериментального обладнання, адже необхідно враховувати низку факторів, обумовлених умовами організації експерименту, властивостями навантаження та вимогами техніки безпеки.

У першу чергу слід звернути увагу на відповідність електричних параметрів джерела струму таким вимогам експериментального обладнання.

• вид струму;
• напруга живлення;
• максимальна сила струму;
• допустимий рівень пульсацій вихідної напруги;
• наявність регулювання вихідної напруги тощо.

Потрібно пам’ятати, що джерела струму є невід’ємною частиною експериментальної установки і від правильності їх добору залежить і успішність, і безпека експерименту. У цьому зв'язку слід враховувати ще й такі параметри:

• внутрішній опір джерела струму;
• наявність системи захисту від перевантажень;
• допустимий час неперервної дії тощо.

Тому першим етапом підготовки експерименту є ретельний аналіз усіх можливих варіантів застосування тих чи інших джерел струму й відбір такого, яке б максимально задовольняло всім вимоги техніки безпеки.

Наприклад, необхідно продемонструвати вольт-амперну характеристику кремнієвого напівпровідникового діода малої чи середньої потужності. Для цього потрібне джерело постійного струму з регульованою вихідною напругою, причому для дослідження "прямого" струму достатньо мати напругу до 0,5 В а для "зворотнього" - 15-20 В. На перший погляд, можна було б використати ВУП-2, оскільки в ньому є регульована напруга від (- 100 В) до 0 В, та від 0 В до (+100 В). Але для побудови прямої вітки графіка вольт-амперної характеристики цей прилад виявляється непридатним, оскільки за малих значень вихідної напруги неможливо забезпечити плавну її зміну, та й максимальна сила струму через діод може істотно перевищувані максимально допустиму силу струму приладу.

Отже, з перелічених вище приладів найбільше підходять В-24 та ИПД-С, оскільки забезпечують регульовану напругу та достатню силу струму. Хоча й ці прилади не позбавлені недоліків: вихідна напруга починається не від 0 В, а тому для забезпечення регульованої напруги від 0 В до 0,5 В доводиться використовувати додатковий потенціометр.

Інший приклад: для одержання електролізу теоретично можна використати будь-яке демонстраційне чи лабораторне джерело постійного струму. Наприклад, В-24 чи ВУП-2. Але коли мова йде про демонстраційний експеримент, коли час демонстрації обмежений, доцільніше використати В-24, який дозволить мати значно більшу силу струму через розчин електроліту і, відповідно, більш яскравий демонстраційний ефект за той же проміжок часу.

Для живлення демонстраційної моделі радіоприймача на транзисторах, чи підсилювача низької частоти необхідне джерело струму з вихідною напругою 6... 12 В та незначними пульсаціями вихідної напруги. За цих обставин ВУП-2 непридатний через малу допустиму силу струму, а В-24 непридатний через відсутність згладжуючого фільтра. Очевидно, що кращим джерелом струму для даної демонстрації є ИПД-С.

2. Високовольтні джерела струму теж мають свої особливості: генератор "Спектр 1" застосовується лише для живлення спектральних трубок, тоді як "Разряд-1" - більш універсальний і може бути застосований для демонстрацій великої кількості дослідів з електростатики та електродинаміки.

3. Ознайомитися за поданим описом та паспортами на прилади з будовою комплекту електропостачання кабінетів природничо-наукового профілю КЭСЕ-1, (або комплекту електропостачання універсального), випрямляча В-24, джерела живлення демонстраційного ИПД-С, випрямляча ВУП-2М, генератора "Спектр-1" та перетворювача високовольтного "Разряд-1".

4. Записати основні технічні характеристики джерел струму і правила їх експлуатації.

5. Зробити схематичні малюнки для пояснення будови джерел струму.

6. Обрати заліковий рівень й скласти конспект дослідів з описаних джерел струму та передбачених у подальших пунктах цієї роботи.

Заліковий рівень	№ досліду
	1	2	3	4	5	6	7
Низький	X				X
Середній	X	X	X	X
Високий	X		X	X	X	X	X

ВИКОНАННЯ РОБОТИ

Дослід 2-01.

Підготовка до роботи та перевірка приладу «КЗСЕ-1» Вказівки щодо експлуатації

Перед початком роботи всі тумблери повинні бути встановлені в положення "вимкнено".

1. Увімкнути прилад так:

• увімкнути тумблер живлення 220 В;
• увімкнути пристрій захисного вимикання, при цьому повинна засвітитися сигнальна лампа;
• увімкнути автоматичні вимикачі ліній 42 В;
• під’єднати джерела струму ИПФ до розеток 42 В, при цьому індикатори на корпусах ИПФ вкажуть на те, що струм подається на робочі місця.

2. Визначити мінімально допустимі при заданих напругах опори кіл, що можуть живитися від перетворювача.

3. Перевірити дію автоматичного захисту від перевантаження.

4. Вимкнення здійснюється у зворотній послідовності.

Дослід 2-02. Підготовка до роботи та випробування приладу «В-24»

Обладнання. Випрямляч В-24, мультиметр, викрутка.

1. Перевірити, чи вимкнутий прилад з мережі.

2. Познайомитися із зовнішньою будовою випрямляча.

3. Зняти кожух і розглянути розміщення та будову основних внутрішніх частин випрямляча. Переконатися в тому, що розміщення запобіжника відповідає напрузі в мережі.

4. Закрити В-24 кожухом і увімкнути в мережу. Перевірити відповідність показів приладів випрямляча показам контроль¬них приладів, увімкнутих у вихідні клеми. У даний час є декілька варіантів випрямлячів В-24, з такими ж параметрами, як і описаний вище, або дуже близькими до них. Один із них показано на мал. 21.

Мал. 21

Дослід 2-03. Підготовка до роботи та випробування приладу ИПД-С

1. Увімкнути прилад, виконавши всі вимоги, описані на с. 60.

За допомогою мультиметра перевірити відповідність меж регулювання вихідної напруги, вказаних у технічному паспорті.

3. Використати ИПД-С для живлення демонстраційного підсилювача низької частоти і зробити висновок про якість фільтра випрямляча.

Дослід 2-04. Підготовка до роботи, перевірка та використання приладу ВУП-2

Обладнання. Випрямляч ВУП-2, мультиметр, викрутка.

1. Зняти кожух із від’єднаного від мережі випрямляча та ознайомитися з його внутрішньою будовою.

2. Заземлити прилад і закрити кожух.

3. Увімкнути випрямляч у мережу. Виміряти за допомогою мультиметра межі регулювання напруг на його вихідніх клемах без навантаження та відповідність нульового значеній напруги на клемах (- 100...+ 100) В у середньому положенні ручки-регулятора.

4. Використати випрямляч для демонстрації дії електронної лампи-діода та дослідити її ВАХ.

5. Використати випрямляч для живлення генератора, сантиметрових хвиль і продемонструвати властивості електромагнітних хвиль (відповідно до матеріалу шкільною підручника).

Дослід 2-5. Підготовка приладу «Спектр-1» до роботи та проведення демонстрацій з використанням його

Обладнання. Високовольтний перетворювач "Спектр-1"; газоповні спектральні трубки;спектроскоп.

1. Приєднати джерело живлення до вхідних клем приладу відповідно до вказаної полярності.

2. Відкрити кришку й вставити газорозрядну (спектральну) трубку. Закрити кришку й увімкнути джерело живлення. Через щілину можна спостерігати газовий розряд.

3. За допомогою спектроскопа провести дослідження спектрів свічення різних газів. Замалювати спостережувані спектри випромінювання та схему розміщення приладів.

Дослід 2-6. Підготовка до роботи, перевірка та використання високовольтного перетворювача «Разряд-1»

Обладнання. Перетворювач "Разряд-1"; випрямляч В-24; спектральні трубки на штативі; паперові султани.

1. Переконатися, що вимикач живлення встановлено н положення "Вимкн.".

2. Установити перемикачі вихідної напруги у положення "5 кВ" чи "25 кВ".

3. Установити паперові султани в клеми високої напруги.

4. Під’єднати джерело живлення (В-24) з дотриманням вказаної полярності і, змінюючи напругу живлення від 0 до 12 В, одержати необхідну високу напругу на борнах та вихідних клемах "5 кВ".

5. Перевірити наявність високої напруги 5 кВ за допомогою і спектральних трубок.

6. Перевірити й визначити напругу спрацювання захисту U_с.з при перенапрузі на вході.

7. Продемонструвати тліючий розряд у газосвітних або і пектральних трубок.

8. Вимкнути прилад!