Введение

«Автоматика» завершает изучение интегрированного курса ЭРТАВТ (электрорадиотехника с основами автоматики и вычислительной тех­ники), состоящего из 5 разделов: электроника, электронно-вычислительная тех­ника, электротехника, радиотехника, автоматика.

Программа курса «Автоматика»[1]

Введение

Роль курса «Автоматика» в формировании профессиональных умений учителя. Автоматика как обобщающий курс экспериментальной предметной подготовки. Сведения из истории автоматики.

Основные элементы автоматических устройств

Классификация систем автоматики. Системы автоматического контроля и сигнализации. Системы автоматического управления: разомкнутые, замкнутые, комбинированные. Системы автоматического регулирования: стабилизирующие, программные, следящие. Системы автоматизированные и автоматические.

Элементы автоматических систем: воспринимающие, задающие, сравнивающие, преобразующие, исполнительные, корректирующие. Их основные характеристики: статическая и динамическая характеристики, коэффициент передачи, статический коэффициент передачи, динамический коэффициент передачи, относительный коэффициент передачи, порог чувствительности.

Классификация измерительных преобразователей: резистивные, пьезоэлектрические, электростатические, электромагнитные, гальваномагнитные, электрохимические, тепловые, оптоэлектрические. Устройство и принцип действия датчиков: перемещения, скорости, ускорения, температуры, давления, влажности, освещенности, электрического и магнитного поля, радиации, деформации и др.

Исполнительные элементы систем автоматики: электромагниты, реле, муфты, электродвигатели, нагреватели, гидравлические и пневматические исполнительные устройства, манипуляторы.

Качественные показатели автоматического регулирования. Критерии устойчивости систем автоматического регулирования. Классификации автоматических регуляторов: регуляторы прямого и косвенного действия, регуляторы дискретного и непрерывного (пропорциональные, интегральные, пропорционально-интегральные, пропорционально-дифференциальные) действия. Стабилизаторы постоянного напряжения и тока как системы автоматического регулирования. Устройства защитного отключения.

Перспективы развития элементов и устройств автоматики. Комплексная автоматизация производства. Системы автоматики будущего.

Конструирование простейших устройств автоматики

Фотореле, термореле, регулятор освещенности, регулятор температуры, охранная сигнализация, пожарная сигнализация, музыкальный автомат, устройство для автоматической подачи звонков в учебных заведениях, применение ЭВМ для автоматизации физического эксперимента, кодовый замок, автомат световых эффектов, радиоуправление игрушками, устройство для обнаружения скрытой электропроводки, электронные весы, металлоискатель, устройство для игры «Брейн-ринг» и т.д.

Целью изучения раздела «автоматика» является формирование у студентов профессиональных умений, необходимых для технически и методически грамотной эксплуатации электронного оборудования школьного кабинета физики.

Перед изучением раздела «автоматика» студент должен знать:

1. Устройство и принцип действия p-n перехода.

2. Два способа подключения амперметра и вольтметра к участку цепи для измерения его сопротивления. Влияние внутреннего сопротивления измерительного прибора на точность измерений.

3. Устройство, принцип действия и характеристики биполярных транзисторов.

4. Устройство, принцип действия и характеристики полевых транзисторов.

5. Переходные процессы в RC-цепях. Амплитудно-частотная и фазо-частотная характеристики RC-цепей.

6. Последовательный и параллельный колебательный контур.

7. Устройство и принцип действия электронного осциллографа.

8. Базовый логический элемент 2И-НЕ ТТЛ.

9. Базовый логический элемент 2И-НЕ  КМОП.

Студент должен уметь:

1. Правильно выбирать предел измерения многопредельного измерительного прибора (амперметра, вольтметра) с учетом соотношения сопротивления участка цепи и внутреннего сопротивления измерительного прибора.

2. Правильно выбирать частотный диапазон измерительного прибора.

3. С помощью электронного осциллографа измерять длительность и период следования импульсов, частоту, период, амплитудное и эффективное значения синусоидального напряжения.

4. Получать на экране осциллографа вольт-амперные характеристики радиотехнических элементов (полупроводникового диода, биполярного и полевого транзистора, тиристора и др.).

5. Пользоваться электрическим паяльником.

6. Пользоваться омметром.

7. Экспериментально определять структуру и выводы биполярного транзистора.

8. Определять сопротивление и номинальную мощность рассеяния резистора, емкость и рабочее напряжение конденсатора.

9. Измерять сопротивление резистора, емкость конденсатора, индуктивность катушки.

10. Пользоваться справочной литературой для определения основных параметров и выводов радиотехнических элементов (диодов, транзисторов, микросхем и др.).

Рабочее место студента

В лаборатории основ автоматики и вычислительной техники звено из двух студентов работает в течение семестра на одном рабочем месте. Рабочее место укомплектовано следующим общим для всех рабочих мест оборудованием и принадлежностями:

К рабочему месту студента подводится питающее напряжение 220 В, 42 В и проводники, соединенные с защитным нулевым проводом.

Лабораторный практикум по автоматике включает в себя три части:

·     выполнение студентами 5 фронтальных лабораторных работ;

·     проведение каждым студентом 1-2 демонстраций;

·     проведение демонстраций преподавателем.

 Демонстрации, проводимые преподавателем, представляют собой образец деятельности при постановке учебного эксперимента и могут проводиться на всех занятиях. Каждый студент в начале семестра получает задание подготовить и показать 1-2 демонстрации. В настоящем пособии приведены задания к фронтальным лабораторным работам, схемы демонстраций и задания к ним. Если на принципиальных схемах не проставлены номиналы радиоэлементов, то они рассчитываются студентами самостоятельно.

Список демонстраций по автоматике, проводимых преподавателем

1.   Биметаллическая пластина. Преобразование плавного изгиба биметаллической пластины в скачкообразное перемещение электрического контакта (с использованием пружины, с использованием постоянного магнита).

2.   Биполярный транзистор как управляемый током переменный резистор для цепей постоянного и пульсирующего напряжения одной полярности (наблюдение на экране осциллографа зависимости выходного напряжения параметрического стабилизатора напряжения от силы тока нагрузки).

3.   Влияние внутреннего сопротивления измерительного прибора на режим работы электрической цепи.

4.   Датчик пожарной сигнализации.

5.   Демонстрация необходимости экранировки входных цепей чувствительного усилителя электрических колебаний.

6.   Измерение выходного напряжения делителя напряжения на резисторах вольтметрами с различными внутренними сопротивлениями.

7.   Измерение емкости конденсаторов методом дискретного счета.

8.   Индуктивные датчики линейных перемещений.

9.   Исследование тиристора в цепи постоянного тока.

10.Калибровка плавких вставок предохранителей.

11.Логический элемент 2И-НЕ транзисторно-транзисторной логики. Элемент 2И-НЕ с тремя состояниями   на выходе.

12.Наблюдение на экране осциллографа зависимости выходного напряжения параметрического стабилизатора напряжения от входного напряжения.

13.Наблюдение на экране осциллографа передаточной характеристики триггера Шмитта на логических элементах КМОП серии.

14.Неискажающий делитель напряжения.

15.Определение коэффициента пульсаций на выходе выпрямителя с помощью электронного осциллографа.

16.Определение коэффициента стабилизации стабилизатора постоянного напряжения.

17.Определение постоянной времени датчиков температуры.

18.Определение структуры и выводов биполярного транзистора.

19.Определение тока срабатывания устройства защитного отключения.

20.Охранная сигнализация.

21.Передача оптических сигналов по волоконной линии связи.

22.Полупроводниковый диод  как датчик температуры.

23.Применение ЭВМ для автоматизации эксперимента.

24.Принцип действия устройства защитного отключения (демонстрация с трансформатором тока).

25.Проверка качества работы автоматической подстройки частоты гетеродина (АПЧГ) телевизионного приемника.

26.Прямоугольные импульсы напряжения низкой частоты на экране осциллографа с открытым и с закрытым входом “У”.

27.Работа датчика температуры электроутюга.

28.Радиоуправление.

29.Регулятор освещенности.

30.Сильфонный датчик давления.

31.Срабатывание геркона под действием магнитного поля постоянного магнита.

32.Стабилизаторы постоянного тока на полевом и биполярном транзисторах как системы автоматического регулирования.

Итоговая отчетность студента

Экзаменационные билеты  содержат один теоретический вопрос и одно экспериментальное задание по исследованию электронного устройства. От выполнения экспериментального задания студент может быть освобожден, если он самостоятельно изготовит, отладит и составит подробное описание принципа работы несложного электронного устройства. Устройство для изготовления может быть выбрано студентом самостоятельно либо предложено преподавателем. Студент может также по согласованию с преподавателем изготовить сложное электронное устройство, которое защищает вместо экзамена.

В пособии [1, стр. 185-190] приведен список литературы, в которой описаны устройства, рекомендуемые нами для самостоятельного изготовления студентами. Указанный список может быть дополнен публикациями из журналов «Радио» последних лет. Ниже приведены некоторые из них.

1.   Банников В. Бесконтактный датчик уровня жидкости // Радио. - №9. - 1996. - С. 48-49.

2.   Бирюков С. Автомат управления освещением // Радио. - №3. - 1998. - С. 44-45.

3.   Бородай В. Простой электроакупунктурный стимулятор // Радио.- №2.- 1998.-С. 47.

4.   Дорофеев М. Бестрансформаторный с гасящим конденсатором // Радио. - №2. - 1995. - С. 36-37.

5.   Крутовцов А. Программатор учебного времени // Радио. - №1. - 1998. - С. 40-41.

6.   Нечаев И. Автомат управления насосом // Радио. - №3. - 1995. - С. 38-39.

7.   Нечаев И. Автомат управляет освещением // Радио. - №5. - 1996. - С. 46-47.

8.   Панкратьев Д. Плавное зажигание лампы накаливания // Радио.-№9.-1997. - С. 42.

9.   Пицман В. Устройство для намагничивания заготовок // Радио. - №8. -1996.-С. 46.

10.Полянский П. Цифровой регулятор мощности паяльника // Радио. - №2. - 1998. - С. 53-54.

11.Прямушко В. Охранно-сигнальное устройство // Радио. - №3. - 1998. - С. 41-42.

12.Турчинский Д. Вместо обычного будильника - музыкальный // Радио. - №2. - 1998.  С. 48-49.

13.Ховайко О. Узел управления симистором // Радио. - №2. - 1998. - С. 61.

14.Яковлев В. Термостабилизатор для инкубатора // Радио. - №8. - 1997. - С. 43.

Основные вопросы к экзамену:

1.   Определение короткозамкнутых витков катушек индуктивности.

2.   Импульсный стабилизатор постоянного напряжения как система автоматического регулирования (можно воспользоваться принципиальной схемой).

3.   Автоматическое устройство для исследования процесса установления колебаний в колебательном контуре при подключении его к источнику периодической ЭДС (можно воспользоваться принципиальной схемой).

4.   Автоматическое регулирование температуры (можно воспользоваться принципиальной схемой).

5.   Классификация систем автоматики. Системы автоматического управления. Системы автоматического регулирования. Системы автоматизированные и автоматические.

Основные демонстрации к экзамену:

1.   Электронный коммутатор (можно воспользоваться принципиальной схемой).

2.   Феррозондовый датчик магнитного поля (демонстрации с датчиком и с устройством, моделирующим феррозондовый датчик).

3.   Регулировка поляризованного реле для наблюдения на экране осциллографа затухающих колебаний в колебательном контуре (реле можно питать от генератора прямоугольных импульсов напряжения).

4.   Переходные процессы в RC-цепи при подключении ее к генератору прямоугольных импульсов напряжения (можно воспользоваться принципиальной схемой).

Примечание: Ответы на основные вопросы должны даваться студентами без подготовки. Основные демонстрации проводятся студентами также без подготовки. Студент, не ответивший на любой из основных вопросов, или не поставивший любую из основных демонстраций, получает на экзамене неудовлетворительную оценку.