Осциллограф-ваш помощник

Занимательные эксперименты

Теперь, когда вы освоили осциллограф, с его помощью нетрудно провести несколько экспериментов и попытаться «взглянуть» на интересные физические процессы, происходящие в том или ином электронном устройстве. Познакомившись же с методикой измерений в предлагаемых экспериментах, вы, несомненно, обогатите свои познания возможностей осциллографа и сможете использовать ту или иную методику в других аналогичных случаях радиолюбительской практики.

Итак, рассмотрим несколько экспериментов.

Что такое самоиндукция? Если подать постоянное напряжение в цепь с катушкой индуктивности, то номинальный ток в цепи появится не мгновенно, а с некоторым запаздыванием, продолжительность которого зависит от индуктивности катушки. С таким же запаздыванием будет падать ток после выключения питания, словно энергия была запасена оксидным конденсатором большой емкости.

Наглядно убедиться в сказанном поможет электрическая цепь, собранная в соответствии с рис. 72. В ней две параллельные ветви: в первой последовательно включены резисторы R1, R2, а во второй — катушка индуктивности L1 и резистор R3 (к нему и подключается вначале осциллограф).

Питание на цепь поступает с источника постоянного тока GB1 через кнопочный выключатель SB1. Через конденсатор С1 с цепи снимают сигнал включения питания и используют его в качестве сигнала внешней синхронизации осциллографа. Сам осциллограф должен работать в режиме ждущей развертки (кнопка «АВТ.-ЖДУЩ» нажата) с внешней синхронизацией (кнопка «ВНУТР.-ВНЕШН.» нажата), с открытым входом.

Но вначале нужно установить на осциллографе автоматический режим работы развертки, сместить линию на нижнее деление масштабной сетки, а затем, нажав кнопку SB1, установить входным аттенюатором такую чувствительность осциллографа, чтобы линия развертки оказалась отклоненной от первоначального положения на 3…4 деления. Конечно, при переключении кнопок аттенюатора будет изменяться положение исходной линии, поэтому не забывайте корректировать его ручкой смещения луча по вертикали. Но начало развертки должно быть в нижнем левом углу (конечно, при отключенном питании цепи).

Катушку L1 желательно использовать с возможно большей индуктивностью.

Хорошие результаты получаются, например, с первичной обмоткой трансформатора ТВК-110ЛМ. Тогда с батареей питания напряжением 4,5 В удастся получить отклонение линии развертки на три деления при чувствительности осциллографа 0,05 В/дел.

Такого же результата по отклонению линии развертки нужно добиться при подключении входного щупа («земляной» остается на месте) осциллографа к точке соединений резисторов R1 и R2. Но в этом случае пользуются лишь подстроечным резистором R1, регулирующим ток в ветви, а значит, падение напряжения на резисторе R2.

Вот теперь кнопку SB1 отпускают, устанавливают ждущий режим и подбирают уровень синхронизации и полярность сигнала (ручка «СИНХР.») такими, чтобы при нажатии кнопки запускалась развертка осциллографа, т. е. луч «пробегал» по экрану один (!) раз. Длительность развертки устанавливают равной 50 мс/дел. (если индуктивность катушки небольшая, можно ставить 20 мс/дел. и даже 10 мс/дел.).

Подключив входной щуп осциллографа к резистору R3, нажмите кнопку и просмотрите на экране кривую нарастания напряжения — она будет похожа на приведенную на рис. 73, а. Как только экран погаснет (генератор развертки будет «ждать» очередного запускающего сигнала), отпустите кнопку — теперь луч осциллографа очертит линию, показанную на рис. 73, б.

Для сравнения подключите осциллограф к ветви, в которой нет индуктивности, — к резистору R2 и вновь нажмите, а затем отпустите кнопку. На экране увидите практически мгновенно нарастающее (рис. 73, в) или спадающее (рис. 73, г) напряжение. Как видите, характер изменения одинакового напряжения на одинаковых нагрузочных резисторах R2 и R3 различен — в ветви с индуктивностью из-за явления самоиндукции он более пологий.

Конечно, по длительности нарастания или спада напряжения можно судить об индуктивности испытываемой катушки, но этот вопрос не входит в планы данного рассказа.

Рис. 73

Петля гистерезиса — какая она? Надеемся, что многие из вас встречали ее изображение на страницах популярной литературы, характеризующее зависимость индукции (В) в сердечнике от напряженности (Н) магнитного поля. Знание такой зависимости позволяет судить, скажем, о максимально возможном токе через первичную обмотку выходного трансформатора, при котором не будет искажаться форма передаваемого (трансформируемого) сигнала или будет соблюдаться заданный коэффициент трансформации. Если же ток превысить, сердечник трансформатора (его магнитопровод) войдет в насыщение, коэффициент трансформации упадет, а форма синусоидального сигнала окажется весьма искаженной.

Для просмотра кривой гистерезиса на экране осциллографа нужно собрать установку по схеме, приведенной на рис. 74. В качестве трансформатора Т1 использован известный вам ТВК-100ЛМ. Его вторичную обмотку включают как сетевую и подают на нее переменное напряжение с автотрансформатора (скажем, ЛАТРа), обеспечивающего в данном случае регулировку напряжения в пределах 15…60 В.

Рис. 74

В цепь первичной обмотки включают цепочку из параллельно соединенных постоянного резистора R1 и переменного R2 — падающее на ней переменное напряжение, характеризующее ток первичной обмотки, а значит, напряженность магнитного поля, подают на вход горизонтальной развертки осциллографа. Ко вторичной обмотке подключают интегрирующую цепочку R3C1 (конденсатор обязательно бумажный с номинальным напряжением не менее 300 В), сигнал с которой поступает на вход вертикальной развертки осциллографа. Этот сигнал будет пропорционален величине магнитной индукции в сердечнике.

В итоге на экране осциллографа можно наблюдать кривую взаимозависимости двух магнитных величин — магнитной индукции и напряженности магнитного поля. Но сначала подготовим для таких наблюдений сам осциллограф.

Начнем с горизонтальной развертки. Кнопка «РАЗВ. -ВХ. Х» должна быть нажата (развертка от внешнего сигнала), остальные ручки управления разверткой могут находиться в любом положении. Вход осциллографа закрытый, чувствительность минимальная (50 В/дел.), входной щуп пока не подключают. С автотрансформатора подают напряжение около 15 В и переменным резистором устанавливают длину линии развертки, например равную четырем делениям (рис. 75, а). Если она не получается такой даже при крайнем левом по схеме положении движка переменного резистора R2, немного увеличивают напряжение с автотрансформатора.

Затем подключают к конденсатору С1 входной щуп осциллографа и изменением чувствительности добиваются длины появившейся вертикальной линии (входной сигнал с гнезда «ВХОД X» снимают), тоже равной четырем делениям. Если она получается больше или меньше (ведь регулировка чувствительности в осциллографе скачкообразная), можно скорректировать под нее длину линии развертки переменным резистором R2.

Рис. 75

После этого подают на осциллограф оба сигнала и наблюдают изображение в форме эллипса (рис. 75, б). Увеличивают напряжение, подаваемое с автотрансформатора на испытываемый трансформатор. Эллипс вытягивается и при определенном напряжении (около 30 В) на его концах можно наблюдать загибы (рис. 75, в), характерные для гистерезиса. При дальнейшем повышении напряжения (в данном случае максимум до 60 В, но на короткое время) концы эллипса исказятся (рис. 75, г), что будет свидетельствовать о чрезмерных искажениях сигнала в трансформаторе. В этом нетрудно убедиться, если проконтролировать осциллографом сигнал на вторичной обмотке при работе осциллографа и автоматическом или ждущем режиме (конечно, при минимальной чувствительности, поскольку напряжение на обмотке может быть сравнительно высоким).

Известно, что напряженность магнитного ноля в сердечнике (магнитопроводе) трансформатора определяется числом ампер-витков, т. е. произведением тока через обмотку на число ее витков. Отсюда нетрудно сделать вывод о способе определения этого показателя — достаточно установить такое напряжение с автотрансформатора, при котором начинаются искажения эллипса, измерить (например, по падению напряжения на резисторе R1) ток через обмотку и умножить его на число витков обмотки.

А если нужно определить ампер-витки для неизвестного сердечника? Тогда нужно намотать на него две обмотки, как у трансформатора, расположив между ними электростатический экран, чтобы напряжение на вторичной обмотке определялось только электромагнитной индукцией, и провести испытания по приведенной методике. В зависимости от напряжения на вторичной обмотке иногда приходится подбирать резистор R3, чтобы получить изображение эллипса.

Как ««увидеть» звук? Очень просто — нужно подключить ко входу усилителя 3Ч динамическую головку ВА (рис. 76) или абонентский громкоговоритель, а к выходу — резистор нагрузки R_н (вместо динамической головки). К выводам резистора подсоединяют входные щупы осциллографа, работающего в автоматическом режиме.

Рис. 76

Разговаривая перед динамической головкой, будете наблюдать на экране осциллографа резкие всплески линии развертки (рис. 77, а) — это электрические колебания звуковой частоты, преобразованные динамической головкой из звуковых колебаний.

Если издавать какой-то протяжный звук постоянной громкости, можно ручками управления разверткой осциллографа засинхронизировать изображение (рис. 77, б) и даже измерить частоту звука.

Вместо динамической головки или громкоговорителя ко входу усилителя можно подключать микрофон, телефонный капсюль или другой преобразователь звуковых колебаний в электрические и сравнивать их по чувствительности.

Быстро ли срабатывает реле? Как известно, время срабатывания электромагнитного реле — это интервал времени от момента подачи на обмотку напряжения до замыкания любых замыкающих либо размыкания любых размыкающих контактов. Время отпускания реле — аналогичный интервал времени, но от момента снятия напряжения с обмотки. Для современных реле эти параметры могут измеряться единицами и десятками миллисекунд. Подобные интервалы времени вполне возможно определить с помощью любого осциллографа, способного работать в ждущем режиме с запуском от внешнего сигнала и имеющего открытый вход (последнее условие не обязательно).

Рассмотрим конкретную методику испытания реле с помощью нашего осциллографа, подключаемого в соответствии с рис. 78, а. Питающее напряжение U_пит, которое должно быть равно напряжению срабатывания реле К1 или превышать его, подается на обмотку реле через кнопку SB1. Это же напряжение поступает через замыкающие контакты К1.1 на вход усилителя вертикального отклонения. С обмотки реле импульс напряжения поступает через конденсатор C1 на гнездо «ВХОД X» осциллографа — это импульс запуска генератора развертки.

Подготавливая осциллограф к измерениям, устанавливают такую сто чувствительность, чтобы для данного напряжения питания отклонение луча по вертикали (конечно, при открытом входе) составило 2…3 деления либо был заметен всплеск на линии развертки при отсутствии у осциллографа открытого входа.

Если, к примеру, питающее напряжение равно 10 В, то чувствительность нужно установить равной 5 В/дел. Осциллограф работает в режиме ждущей развертки (кнопка «АВТ.-ЖДУЩ.» нажата) с внешней синхронизацией (кнопка «ВНУТР.-ВНЕШН.» нажата) положительным сигналом (ручка «СИНХР.» в крайнем, по часовой стрелке, положении). Длительность развертки зависит от предполагаемого измеряемого интервала времени, в данном случае ее можно установить, скажем, равной 10 мс/дел.

При нажатии кнопки SB1 на гнездо «ВХОД X» поступает импульс синхронизации и генератор развертки осциллографа «срабатывает». На экране появляется светящаяся точка, которая «пробегает» по экрану два деления (по линии развертки) и резко отклоняется вверх (рис. 78, б) — это замкнулись контакты К1.1 и подали на вход усилителя вертикального отклонения постоянное напряжение. Длина «пробега» точки и есть время срабатывания реле — около 20 мс.

Рис. 78

Отпустив кнопку, снова нажмите ее и повторите измерения, после чего, наоборот, нажав кнопку и подержав ее несколько секунд, отпустите. Теперь точка «пробежит» по верхней линии и через два деления резко опустится на линию развертки. Здесь также длина «пробега» до изменения уровня составит время отпускания реле.

Проверяя самые разнообразные электромагнитные реле, вы сможете убедиться, что время срабатывания и отпускания может быть как одинаковым, так и отличаться друг от друга, иногда значительно — все зависит от конструкции реле.

Почему остановился будильник? Конечно, разговор пойдет о популярном электронно-механическом будильнике «Слава». К сожалению, со временем работа его электронного узла нарушается и приходится обращаться в часовую мастерскую. Но не спешите так поступать, в большинстве случаев дефект удастся самостоятельно обнаружить и устранить с помощью осциллографа.

Вынув из корпуса часовой механизм, проверьте авометром или осциллографом напряжение питания на входе платы электронного узла. Затем подключите входной щуп осциллографа к коллектору транзистора генератора (рис. 79), а «земляной» щуп — к эмиттеру.

Качните маятник часов. Если на экране осциллографа, работающего в автоматическом режиме при малой длительности развертки (например, 10 мс/дел.), появятся импульсы в виде широкой «дорожки» (размахом до 2 В), а амплитуда колебаний будет недостаточна для работы часового механизма, значит электронный узел самовозбуждается на сравнительно высокой частоте. Чтобы возбуждение устранить, следует впаять между выводами коллектора и эмиттера транзистора конденсатор С3 емкостью 1…10 мкФ.

Если же при первоначальных колебаниях маятника будут появляться «чистые» импульсы (рис. 80, а), следующие с частотой 4…5 Гц (длительность паузы между импульсами 200…250 мс), а затем амплитуда колебаний маятника упадет и станет стабильной, но недостаточной для работы часового механизма, вероятной причиной отказа часов может быть повышенное торможение шестерни, приводимой в движение маятником. В этом случае достаточно слегка отвести or валика шестерни пружину (повернув на корпусе винт, в котором зажат конец пружины) — и часы пойдут.

В нормально работающих часах сигнал на выводе коллектора транзистора имеет форму, показанную на рис. 80, а, а на выводе базы — на рис. 80, б.

Случается, что выходит из строя транзистор. Тогда его заменяют любым из серий МП25, МП26, МП39-МП42.

Проверить транзистор можно авометром, работающим в режиме омметра, не отпаивая выводы транзистора. Отсоединив от часов источник питания, кратко временно замыкают выводы питания, а затем касаются их щупами омметра в обратной полярности, т. е. плюсовой щуп омметра соединяют с минусовым выводом питания, а минусовой щуп — с плюсовым выводом. Стрелка омметра вначале отклонится к нулевой отметке шкалы, а затем начнет «падать». Как только показания омметра станут около 50…60 кОм, щупы меняют местами, т. е. омметр подключают в прямой полярности. Стрелка омметра достигнет отметки «100 кОм», а затем плавно отклонится в сторону нулевой отметки и зафиксирует сопротивление около 2 кОм. Это свидетельствует о том, что транзистор работоспособен и в данный момент открыт. Омметр же показывает суммарное сопротивление участка коллектор эмиттер транзистора и катушки L1.

Сам себе контролер. Если необходимо проверить входное сопротивление и входную емкость осциллографа, сделать это несложно… с помощью самого осциллографа. Так, проверяя входное сопротивление, нужно подключить входной щуп к гнезду пилообразного напряжения развертки, расположенному на задней стенке. Установив длительность развертки примерно 10 мс/дел., нужно подобрать такую чувствительность осциллографа, чтобы размах изображения на экране составил, скажем, четыре деления.

Затем между входным щупом и указанным гнездом включают переменный резистор (рис. 81, а) сопротивлением 1…2 МОм и перемещением его движка добиваются вдвое меньшего размаха изображения. Получившееся при этом сопротивление переменного резистора будет равно входному сопротивлению осциллографа.

Аналогично измеряют и входную емкость осциллографа, но вместо переменного резистора пользуются подстроечным конденсатором (рис. 81, б), а длительность развертки устанавливают равной 10 мкс/дел. (иначе говоря, при переходе от одного вида измерения на другой нажимают кнопку «МС-МКС»). Установив подстроечным конденсатором вдвое меньший размах изображения на экране, измеряют емкость конденсатора — она и будет равна входной емкости осциллографа (включая и входной кабель со щупами).

А если гнездо пилообразного напряжения в вашем осциллографе отсутствует? Тогда сигнал подают с генератора 3Ч (частота 100 Гц) при проверке входного сопротивления или с генератора РЧ (частота 100 кГц), когда проверяют входную емкость.

Рис. 81