2. Фототахометр

В лабораторной работе используется фототахометр типа … Для получения импульсов света на ось электродвигателя, число оборотов которого измеряется, насажен алюминиевый диск. На диске, закрашенном черной краской, оставлен один светлый сектор. Лампа и фотосопротивление расположены так, чтобы свет от лампы (сфокусированный объективом) отражался от вращающегося диска и падал на фотосопротивление. При вращении диска, на фотосопротивлении будет падать импульс света в тот момент, когда в месте падения луча света находится светлый сектор диска.

Схема фототахометра приведена на рис. 1 (за исключением схемы преобразования импульсов света в электрические импульсы, она является копией схемы частотомера ИЧ-6).

Фотосопротивление R_ф включено параллельно сопротивлению R₂ делителя напряжения, состоящего из сопротивлений R₁ и R₂ ^x.

Под влиянием импульсов света меняется величина сопротивления R_ф, а, следовательно, и напряжение U_АБ на выходе делителя. С помощью цепи RC, состоящей из конденсатора C₂ и сопротивления R₃ выделяется переменная составляющая пульсирующего напряжения U_АБ. Для уменьшения помех от наведенных ЭДС, вход частотомера заблокирован конденсатором C₁.

Первые два каскада частотомера, собранные на двойном триоде 6Н1-П (Л_1а и Л_1б) являются формирователем прямоугольных импульсов. Формирование производится путем ограничения сверху и снизу поступающих на вход импульсов. Оба каскада представляют собой RC усилители, работающие с сеточными токами во время положительных полупериодов поступающих на сетку сигналов (малые значения напряжения смещения сетки). Ограничение достигается за счет включения в цепь сеток сопротивлений (R₁ и R₉), значительно повышающих величину сопротивления промежутка сетка-катод лампы при положительном напряжении на сетке. На этих сопротивлениях, во время положительного полупериода, практически падает все поступающее напряжение, а напряжение сетки, и, следовательно, анодный ток не изменятся.

Для улучшения формы прямоугольных импульсов в первом каскаде введена положительная обратная связь с коэффициентом обратной связи больше единицы, действующая во время отрицательных импульсов на сетке лампы Ла. Для этого сопротивление R₃, RC-цепи связи включено не на нулевой провод, а непосредственно на катод лампы Л_1а. Когда начинается отрицательный полупериод выходного напряжения, начинает заряжаться конденсатор C₄ (начинает уменьшаться анодный ток лампы Л_1а, а поэтому растет ее анодное напряжение, параллельно которому включен конденсатор C₄). Зарядный ток про-

^xФотосопротивление нельзя включать непосредственно в цепь делителя (вместо сопротивления R₂), т.к. величина его сопротивления после его пребывания в темноте возрастает по экспоненте. Поэтому после длительного пребывания в темноте напряжение на фотосопротивлении при включении прибора (до освещения фотосопротивления) может превысить допустимое значение.

ходит через сопротивление R₇, вызывая на нем падение напряжения. Это напряжение, включенное плюсом на катод, а минусом на сетку лампы Л_1а, добавляется к входному напряжению, увеличивая зарядный ток конденсатора, что еще больше увеличивает отрицательный потенциал на сетке, а, следовательно, и зарядный ток конденсатора и т. д. Процесс идет лавинообразно, благодаря чему лампа быстро запирается. Анодный ток быстро падает до нуля, а затем медленно восстанавливается (по экспоненте), по мере уменьшения зарядного тока конденсатора. С наступлением положительного полупериода рост анодного тока ускоряется, напряжение на аноде начинает быстро падать до значения ниже напряжения конденсатора. Поэтому зарядный ток прекращается, конденсатор начинает разряжаться через зарядную лампу и анодный ток скачком увеличивается до своего максимального значения, соответствующего верхнему уровню ограничения.

На сетку второй лампы подается напряжение с сопротивления R₈ (падением напряжения на сопротивлении R_ф можно пренебречь, т.к. оно почти в 100 раз меньше напряжения на R₈). При этом отрицательные импульсы усиливаются второй лампой без искажения, а положительные – ограничиваются за счет сеточного тока. Поэтому на выходе ограничителя получаются прямоугольные импульсы правильной формы.

На рис. 2 показана форма поступающих с фотосопротивления импульсов (а) и форма выходных напряжений первого (б) и второго каскадов (в).

Полученные прямоугольные импульсы подаются на сетку лампы Л₂ или через гнездо Г по коаксиальному кабелю могут быть поданы для подсчета на цифровой частотомер.

Лампа Л₂, совместно с двойными диодами Л₃ и Л₄ и стабилитроном Л₅ представляет собой устройство для измерения частоты импульсов.

Принцип этого устройства можно представить с помощью следующей более наглядной, но аналогично работающей схемы (рис. 3). Переключателем П конденсатор C периодически подключается для заряда к батареи Б, а затем к прибору П, через который он разряжается. Пусть переключение переключателя производится импульсами, частоту которых мы хотим измерить, а величина конденсатора выбрана такой, чтобы при учете внутреннего сопротивления батареи и сопротивления прибора, можно было считать, что за время замыкания левого контакта переключателя конденсатор полностью заряжается, а за время замыкания правого контакта – полностью разряжается (время замыкания контактов t ≥ 3T, где T – постоянная времени соответствующих цепей).

Через прибор будут проходить импульсы разрядного тока конденсатора. Так как подвижная часть измерительного механизма из-за своей инерционности не может следовать за изменением тока, прибор, как известно, будет показывать среднее значение тока.

При заряде конденсатор накапливает количество электричества, равное UC, где U – напряжение, до которого зарядится конденсатор, а C – емкость конденсатора. Так как мы считаем, что при переключении на прибор конденсатор разряжается полностью, то все это количество электричества пройдет через прибор. Но число таких разрядов равно f – частоте следования импульсов в секунду, следовательно, в секунду через прибор проходит UCf кулонов.

Таким образом, прибор будет показывать ток I_n, равный

I_n=UCf (3)

Если напряжение батареи и емкость C постоянны, то ток прибора является линейной функцией частоты и прибор может быть проградуирован непосредственно в частоте (или в числах оборотов в минуту).

Принципиально ничего не изменится и в случае схемы, приведенной на рис. 4. Только теперь конденсатор будет заряжаться до напряжения U₁, а разряжаться не до нуля, а до напряжения U₂ и в формуле (3) вместо U нужно подставить U₁ – U₂:

(4)

В ламповом частотомере переключение конденсатора на заряд и разряд производится с помощью электронных ламп (см. рис. 1).

Роль измерительного конденсатора выполняет конденсатор C₇, включенный через диоды (Д₃) и измерительный прибор (микроамперметр) параллельно лампе Л₂. При возрастании анодного напряжения лампы Л₂, конденсатор заряжается анодным напряжением лампы. Зарядный ток конденсатора проходит через левую половину лампы Л₃, минуя измерительный прибор, так как правая половина лампы Л₃ не может пропускать ток от катода к аноду.

Когда напряжение на аноде лампы Л₂ падает, конденсатор разряжается. Разрядный ток протекает через измерительный прибор и правую половину лампы Л₃. Более наглядно пути зарядного (сплошные стрелки) и разрядного токов (пунктирные стрелки) конденсатора C₇ при изменениях анодного напряжения лампы Л₂ показаны на рис. 5. Для наглядности на этой схеме правая и левая половины лампы Л₃ заменены полупроводниковыми диодами, а для упрощения схемы тетрод 6П14П заменен триодом.

В цепь левой половины лампы Л₃ включено переменное сопротивление R₁₇, входящее в состав делителя напряжения R₁₅, Л₅, R₁₆, R₁₇. Небольшое напряжение сопротивления R₁₇ введено в последовательную цепь, образуемую двумя диодами и прибором, для компенсации начального тока диодов. Величина его регулируется так, чтобы при постоянном напряжении на аноде лампы Л₂ (конденсатор C₇ не перезаряжается) ток прибора равнялся бы нулю.

Величина анодного напряжения лампы Л₂ меняется под влиянием поступающих на ее сетку прямоугольных импульсов напряжения с сопротивления R₁₂. Анодное напряжение лампы Л₂ равно:

, (5)

где U_a – напряжение на аноде;

U_n – напряжение питания;

I_a – анодный ток;

R₁₄ – сопротивление на анодной цепи лампы.

При отрицательном полупериоде импульса, анодный ток уменьшается, напряжение на аноде лампы возрастает до значения U_a1, и конденсатор С₇ заряжается до этого напряжения. При положительном полупериоде импульса анодный ток возрастает, анодное напряжение падает, и конденсатор C₇ разряжается до значения U_a2. Ток прибора будет равен (см. формулу 4):

(6)

Однако если не принять специальных мер, перепад анодного напряжения (U_a1 – U_a2) будет зависеть от амплитуды поступающих импульсов и ток прибора будет изменяться не только под влиянием частоты импульсов (числа оборотов), но и при изменении силы света осветительной лампы, расстояния ее от фотосопротивления и т. п., что недопустимо. Поэтому в приборе применяется автоматическая стабилизация перепада напряжения (U_a1 – U_a2) с помощью стабилитрона Л₅. Сопротивления делителя R₁₅, Л₅, R₁₆ и R₁₇ подобраны таким образом, чтобы напряжение на аноде стабилитрона относительно катода Л₂ было на U₂/2 больше, а напряжение на его катоде на U₂/2 меньше напряжения на аноде Л₂ при отсутствии импульсов. Здесь U₂ – напряжение горения стабилитрона. Анод лампы Л₂ соединен с анодом стабилитрона через левую половину лампы Л₄. Если этот диод откроется, то стабилитрон сопротивления R₁₆ с R₁₇ окажутся включенными параллельно лампе Л₂. При этом анодное напряжение, определяемое падением напряжения на сопротивлении R₁₄ будет зависеть не только от анодного тока, но и от тока левой половины лампы Л₄. Левая половина лампы Л₄ включена так, что она откроется в том случае, если при отрицательном полупериоде импульса на сетке Л₂, амплитуда его будет такой, что анодное напряжение Л₂ станет выше сопротивления на аноде стабилитрона.

После того, как левая половина Л₄ откроется, анодное напряжение лампы Л₂ будет равно напряжению на аноде стабилитрона, т.к. при увеличении амплитуды импульса на сетке Л₂, уменьшается ее анодный ток, но одновременно возрастает ток через диод (стабилитрон и падение напряжения на сопротивлении R₁₄ практически не меняется). Чтобы стабилитрон не погас при большом значении амплитуды импульса (большой ток через диод и стабилитрон увеличит падение напряжения на сопротивлении и напряжение между катодом и анодом стабилитрона может стать равным напряжению его гашения), параллельно сопротивлениям R₁₆ и R₁₇ включен конденсатор C₉ большой емкости.

На рис. 6 приведена упрощенная схема и показаны направления токов ламп Л₂, Л₄, и Л₅, причем левая половина лампы Л₄ заменена полупроводниковым диодом, а правая половина не показана, т.к. во время отрицательного полупериода на сетке Л₂ она заперта и влияния на работу схемы не оказывает.

Анод Л₂ через правую половину лампы Л₄ соединен также и с катодом стабилитрона и при том таким образом, что когда он открывается, то параллельно сопротивлению R₁₄ оказывается включенным через стабилитрон сопротивление R₁₅. Правая половина лампы Л₄ открывается при положительном полупериоде импульса, если его амплитуда будет такой, что анодное напряжение лампы Л₂ станет меньше напряжения на катоде стабилитрона. После того, как диод откроется, напряжение на аноде лампы больше уменьшаться не будет, т.к. увеличение анодного тока Л₂ при увеличении амплитуды импульса будет происходить за счет увеличения тока, протекающего не через сопротивление R₁₄, а через сопротивление R₁₅, стабилитрон и правую половину лампы Л₄.

На рис. 7 приведена упрощенная схема и показаны направления токов ламп Л₂, Л₄ и Л₅ при положительном полупериоде напряжения на сетке Л₂.

Таким образом, если амплитуда импульсов будет больше некоторой минимально допустимой, вызывающей изменение анодного напряжения лампы Л₂ больше, чем на половину напряжения горения стабилитрона, то перепад заряжающего конденсатор напряжения будет равен напряжению горения стабилитрона, а последнее, как известно, практически можно считать постоянным. Следовательно, и ток прибора не будет зависеть от амплитуды импульсов.

Измерительный прибор частотомера градуирован непосредственно в числах оборотов в минуту. Для увеличения его инерционности параллельно прибору включен конденсатор C₈, а для подгонки предела измерения – сопротивление R₁₈.

Верхний предел измерения – 15000 об/мин.

Включение фототахометра осуществляется тумблером Т₁, расположенным на лицевой панели прибора.

Включение осветительной лампочки производится тумблером Т₂, расположенным также на лицевой панели прибора.

Порядок работы с фототахометром.

1. Включить частотомер и дать прогреться в течение 15 – 20 минут.

2. Проверить (при погашенной осветительной лампе) равен ли нулю ток прибора. В противном случае установить прибор на нуль, регулируя сопротивлением R₁₇.

3. Включить осветительную лампу, установить и сфокусировать ее луч так, чтобы он освещал только окно фотосопротивления, и возможно меньше освещая края окна. Вместе с тем нельзя, чтобы на фотосопротивлении получилось изображение нити накала осветительной лампы.

4. Включить двигатель и произвести отсчет числа оборотов по прибору.