Раздел занятия
План
| Часть занятия | Объём | Материалы |
|---|---|---|
| Теоретическая подготовка | 4 ч | Сценарий преподавателя, материал темы и презентация. |
| Практическая подготовка | 2 ч | Карточки, ситуационные или расчётные задания и итоговый контроль. |
Раздел занятия
Лекция
Вводная часть. Зачем электроника слесарю КИПиА
Назначение занятия: систематизировать знания по электронике и радиотехнике, которые нужны при обслуживании, проверке и ремонте контрольно-измерительных приборов и элементов автоматики.
Упор делается не на проектирование сложных схем с нуля, а на практическое понимание: что делает электронный узел, какой сигнал через него проходит и по каким признакам искать неисправность.
Электронные узлы встречаются в преобразователях давления и температуры, токовых выходах 4–20 мА, индикаторах, калибраторах, ПЛК и модулях ввода-вывода.
Основная цепочка: входной сигнал → электронный узел → обработанный сигнал → решение/индикация/управляющее воздействие.
Преподавателю: как начать
Начните с вопроса: «В каких приборах КИПиА есть электроника?»
Ожидаемые примеры: преобразователи давления и температуры, токовые выходы 4–20 мА, индикаторы, калибраторы, ПЛК, модули ввода-вывода.
Подчеркните: слесарь КИПиА не обязан проектировать сложную электронику, но должен понимать назначение узлов, безопасно работать с ними и правильно выбирать направление поиска неисправности.
Усилители, коэффициент усиления и обратная связь
Усилитель предназначен для увеличения уровня сигнала. Малый входной сигнал преобразуется в более удобный для дальнейшей обработки выходной сигнал.
Пример: Uвх = 0,2 В, Uвых = 2 В.
В электронных узлах КИПиА применяются транзисторные каскады и операционные усилители. Усилительный каскад может усиливать напряжение, ток или мощность.
Обратная связь используется для того, чтобы сделать усилитель более устойчивым и предсказуемым, уменьшать искажения и задавать требуемый коэффициент усиления.
Операционный усилитель — это усилитель с дифференциальным входом и очень большим коэффициентом усиления. Сам по себе он обычно не работает, а его свойства задаются цепями обратной связи. На его основе строят компараторы, сумматоры, стабилизаторы, нормирующие схемы и другие узлы.
Компаратор
Компаратор — это устройство, которое сравнивает два напряжения и по выходу выдаёт результат: какое из них больше.
На один вход подаётся опорное напряжение
U оп На другой — контролируемый сигнал
U вх Если
U вх > U оп Если
U вх < U оп
То есть компаратор работает как «электронный переключатель по порогу». В простейшем случае ОУ включают без отрицательной обратной связи. Чтобы выход не дребезжал от помех, часто вводят положительную обратную связь — получается триггер Шмитта с гистерезисом.
Применение: пороговые устройства, сигнализация, формирование импульсов, АЦП, ШИМ.
Сумматор
Сумматор — это схема, выход которой пропорционален сумме нескольких входных сигналов. На ОУ обычно делают инвертирующий сумматор.
Входные напряжения подаются через резисторы
Если
Если нужна сумма без инверсии, ставят дополнительный инвертор или используют неинвертирующую схему.
Применение: смешивание сигналов, сложение показаний датчиков, аналоговые вычислители, ЦАП.
Стабилизатор
Стабилизатор — это устройство, которое поддерживает выходное напряжение или ток постоянными при изменении входного напряжения, нагрузки и температуры.
В схеме на ОУ:
часть выходного напряжения через делитель подаётся на один вход;
на другой вход подаётся опорное напряжение;
ОУ усиливает разность этих напряжений;
выход ОУ управляет регулирующим элементом — транзистором или MOSFET.
Если выходное напряжение просело, ОУ сильнее открывает транзистор. Если выросло — призакрывает. Так выход возвращается к заданному значению.
Бывают линейные и импульсные стабилизаторы. ОУ чаще применяют в линейных стабилизаторах и в цепях управления импульсными.
Нормирующие схемы
Нормирующие схемы — это схемы, которые приводят сигнал к нужному диапазону, уровню или стандарту.
Например:
датчик даёт
0 … 30 0 … 3,3 нужно сдвинуть сигнал на нужный уровень;
нужно отфильтровать помехи;
нужно согласовать сопротивление;
нужно преобразовать ток в напряжение или напряжение в ток, например в стандарт
4 … 20
На ОУ для этого строят масштабирующие усилители, суммирующие и вычитающие каскады, дифференциальные и инструментальные усилители. Цель — чтобы сигнал был удобен для дальнейшей обработки, передачи или ввода в контроллер.
Коротко
Компаратор — сравнивает два напряжения.
Сумматор — складывает несколько сигналов.
Стабилизатор — держит напряжение или ток постоянными.
Нормирующая схема — приводит сигнал к нужному виду и диапазону.
Во всех этих узлах ОУ работает по-разному: в компараторе — как пороговый элемент в нелинейном режиме, в сумматоре и нормирующей схеме — как усилитель с обратной связью, в стабилизаторе — как усилитель ошибки в цепи регулирования.
Преподавателю: расчёт и вопрос
Дайте пример: Uвх = 0,15 В, Uвых = 1,5 В. Попросите самостоятельно определить K.
Ответ: K = 1,5 / 0,15 = 10.
Затем спросите: «Если входной сигнал есть, питание присутствует, а выход почти отсутствует, где искать неисправность?» Подведите к проверке усилительного каскада, питания каскада, обратной связи, транзистора/ОУ и соединений.
Операционный усилитель: назначение и принцип работы
Операционный усилитель (ОУ) — универсальный аналоговый усилительный элемент с двумя входами и одним выходом. Он усиливает разность напряжений между неинвертирующим входом «+» и инвертирующим входом «−».
Преподавателю
Сначала покажи, что ОУ сам по себе сравнивает два входа. Затем подчеркни: в КИПиА важен не только сам усилитель, а узел обработки сигнала, собранный на его основе.
Контрольный вопрос: что именно усиливает ОУ — абсолютное напряжение на одном входе или разность между входами?
Ожидаемый ответ: ОУ усиливает разность напряжений между входами U+ и U−.
Модель идеального операционного усилителя
Для объяснения работы схем удобно сначала рассматривать идеальный ОУ. Это не реальная микросхема, а упрощённая математическая модель.
| Свойство идеальной модели | Что это означает при анализе схемы |
|---|---|
| Входное сопротивление стремится к бесконечности | Ток во входы принимают равным нулю: I+ ≈ 0 и I− ≈ 0. |
| Выходное сопротивление равно нулю | Выход в идеальной модели не изменяет напряжение из-за нагрузки. |
| Коэффициент усиления без обратной связи стремится к бесконечности | Даже очень малая разность U+ − U− вызывает сильное изменение Uвых. |
| Нет задержки и фазового сдвига | В идеальной модели выход реагирует мгновенно. |
| При отрицательной обратной связи ОУ стремится выровнять напряжения на входах | Для линейного режима часто используют приближение U+ ≈ U−. |
1) I+ = I− = 0
2) U+ ≈ U−
Важно: эти правила применяют только когда схема действительно работает в линейном режиме и не ушла в насыщение по питанию.
Преподавателю
Раздели понятия: идеальная модель нужна для расчёта и понимания принципа, а реальный ОУ всегда имеет пределы по питанию, скорости и диапазону сигналов.
Контрольный вопрос: почему в расчётах часто можно принять U+ ≈ U−?
Ожидаемый ответ: потому что отрицательная обратная связь заставляет ОУ удерживать очень малую разность между входами.
Инвертирующий усилитель на ОУ
В инвертирующей схеме входной сигнал через резистор R1 подают на инвертирующий вход «−». Неинвертирующий вход «+» соединён с общим проводом. С выхода через резистор R2 организована отрицательная обратная связь к инвертирующему входу.
Для идеального ОУ ток во вход «−» не течёт. Поэтому ток через R1 должен продолжиться через R2. Так как вход «+» находится на 0 В, отрицательная обратная связь удерживает точку на входе «−» около 0 В. Такое состояние часто называют виртуальным нулём.
K = −R2 / R1
Знак «−» показывает, что выходной сигнал имеет противоположную полярность относительно входного.
Пример: R1 = 10 кОм, R2 = 50 кОм, Uвх = 0,4 В.
Uвых = 0,4 · (−5) = −2,0 В
Если R1 = R2, модуль коэффициента усиления равен 1, но знак сигнала меняется. Если R1 больше R2, схема может работать как инвертирующий ослабитель.
Преподавателю
Покажи, что эта схема удобна тем, что коэффициент задают внешние резисторы, а не внутреннее усиление микросхемы. Отдельно объясни смысл термина «виртуальный нуль».
Контрольный вопрос: почему точку на инвертирующем входе называют виртуальным нулём?
Ожидаемый ответ: потому что её напряжение близко к 0 В из-за действия отрицательной обратной связи, хотя прямого электрического соединения с землёй в этой точке нет.
Неинвертирующий усилитель и повторитель
В неинвертирующей схеме входной сигнал подают непосредственно на вход «+». На инвертирующий вход «−» поступает часть выходного напряжения через делитель R1–R2, образующий отрицательную обратную связь.
K = 1 + R2 / R1
Выходной сигнал сохраняет знак входного. Для идеальной схемы коэффициент усиления не может быть меньше единицы.
Пример: R1 = 10 кОм, R2 = 40 кОм, Uвх = 0,5 В.
Uвых = 0,5 · 5 = 2,5 В
Повторитель напряжения
Частный случай неинвертирующей схемы — повторитель. Выход непосредственно соединяют с входом «−», а сигнал подают на «+». Коэффициент усиления по напряжению равен 1.
Uвых ≈ Uвх
Преподавателю
Сравни два случая: неинвертирующий усилитель и повторитель. Объясни, что повторитель нужен не для увеличения амплитуды, а для буферизации сигнала.
Контрольный вопрос: зачем применять повторитель, если коэффициент усиления у него равен единице?
Ожидаемый ответ: для согласования каскадов, уменьшения нагрузки на источник сигнала и передачи сигнала на следующую ступень с малым выходным сопротивлением.
Сравнение схем ОУ и применение в КИПиА
| Признак | Инвертирующая схема | Неинвертирующая схема |
|---|---|---|
| Куда подаётся сигнал | На вход «−» через R1 | На вход «+» |
| Знак выхода | Инвертируется | Сохраняется |
| Коэффициент | K = −R2/R1 | K = 1 + R2/R1 |
| Можно ли получить |K| < 1 | Да, в идеальной модели | Нет для этой базовой схемы |
| Входное сопротивление | В значительной степени задаётся R1 | Очень высокое, определяется входом ОУ |
Для измерительной техники особенно важно высокое входное сопротивление неинвертирующих схем: источник измерительного сигнала меньше нагружается, поэтому уменьшается влияние измерительного узла на исходную цепь.
Как это связано с КИПиА
- Инвертирующий усилитель — масштабирование и изменение знака сигнала.
- Неинвертирующий усилитель — усиление сигнала при высоком входном сопротивлении.
- Повторитель — буферизация и согласование каскадов.
- Компаратор — сравнение напряжения с опорным уровнем.
- Сумматор — сложение нескольких сигналов.
- Нормирующая схема — преобразование измерительного сигнала в стандартный диапазон.
Преподавателю: итог акцентов
Обязательно свяжи лекцию с уже существующим тренажёром по электронике. После объяснения инвертирующей и неинвертирующей схемы ученик должен перейти к лабораториям «Операционный усилитель», «Компаратор», «Сумматор», «Стабилизатор» и «Нормирующая схема».
Контрольный вопрос: в каком случае предпочтительнее неинвертирующая схема?
Ожидаемый ответ: когда важно высокое входное сопротивление и нужно не изменять полярность входного сигнала.
Микросхемы: аналоговые и цифровые
Микросхема объединяет электронные элементы в одном корпусе и выполняет заданную функцию обработки сигнала.
Аналоговые микросхемы работают с непрерывными сигналами. В материалах занятия примером такого сигнала является 0–10 В.
Цифровые микросхемы работают с логическими состояниями 0/1 и импульсными сигналами.
При монтаже и замене микросхем важны правильная ориентация корпуса, определение вывода 1, аккуратность пайки, отсутствие перегрева и защита от статического электричества.
Преподавателю: проверка понимания
Спросите: «Микросхема обрабатывает сигнал 0–10 В. К какому типу её логичнее отнести?»
Ожидаемый ответ: к аналоговым, поскольку обрабатывается непрерывный сигнал.
Отдельно попросите перечислить, что нужно проверить перед заменой микросхемы: питание должно быть отключено, маркировка и ориентация проверены, должна быть обеспечена защита от статического электричества.
Генераторы электрических колебаний
Генератор создаёт электрический сигнал заданной формы и частоты. В учебном материале рассматриваются синусоидальные и импульсные сигналы, а также произвольная форма сигнала.
Основные параметры периодического сигнала: амплитуда, период и частота.
Пример: если T = 20 мс = 0,020 с, то f = 1 / 0,020 = 50 Гц.
Генератор сигналов применяется при проверке электронных узлов: на вход подают известный сигнал и оценивают, соответствует ли реакция прибора или схемы ожидаемой.
Преподавателю: мини-практика
Дайте период 10 мс. Попросите перевести миллисекунды в секунды и определить частоту.
Ответ: T = 0,010 с; f = 1 / 0,010 = 100 Гц.
Контрольный вопрос: «Что может быть причиной отсутствия генерации?» Ожидаемое направление: неисправность задающего генератора или цепи обратной связи.
Элементы цифровой техники. Двоичная логика
В цифровой технике используются два логических состояния: 0 и 1. Для практики КИПиА их удобно понимать как пары состояний: нет/есть, выключено/включено, запрет/разрешение.
Цифровой сигнал отличается от плавно изменяющегося аналогового сигнала тем, что работает с логическими уровнями и состояниями.
Основные операции занятия — И, ИЛИ, НЕ. Их смысл нужно понимать не только как таблицу истинности, но и как условие разрешения, блокировки или сигнализации.
| A | B | A И B | A ИЛИ B |
|---|---|---|---|
| 0 | 0 | 0 | 0 |
| 0 | 1 | 0 | 1 |
| 1 | 0 | 0 | 1 |
| 1 | 1 | 1 | 1 |
| A | НЕ A |
|---|---|
| 0 | 1 |
| 1 | 0 |
Преподавателю: что объяснить
Не ограничивайтесь чтением таблицы. Попросите обучающегося словами объяснить, почему операция И требует выполнения всех условий, а ИЛИ — хотя бы одного.
После этого переходите к технологическим примерам следующего блока.
Логические элементы в блокировках и сигнализации
Элемент И выдаёт логическую 1 только тогда, когда требуемые входные условия одновременно равны 1.
Элемент ИЛИ выдаёт 1, если выполняется хотя бы одно из входных условий.
Элемент НЕ инвертирует состояние сигнала.
Повторитель передаёт логическое состояние без инверсии.
Пример из учебного материала: насос разрешено включить, если есть давление масла И нет аварии. Условие можно представить как:
Другой пример: сигнализация может формироваться, если есть превышение ИЛИ отказ датчика.
Преподавателю: практический вопрос
Спросите: «Какая логическая операция используется в условии разрешения пуска насоса: есть давление масла и нет аварии?»
Ответ: И с инверсией аварийного сигнала — Давление масла И НЕ Авария.
Попросите обучающегося привести собственный пример условия ИЛИ для сигнализации.
Основные устройства цифровой техники
Мультиплексор можно рассматривать как электронный переключатель: он выбирает один из нескольких входных сигналов и передаёт выбранный канал дальше.
Триггер — элемент памяти, способный запомнить логическое состояние.
Регистр — группа триггеров, предназначенная для хранения набора битов.
Эти устройства входят в электронные приборы и системы автоматики, где требуется выбор канала, запоминание состояния или временное хранение цифровых данных.
Преподавателю: два контрольных вопроса
1. «Нужно запомнить факт аварии до сброса оператором. Какой узел подходит?»
Ответ: триггер.
2. «Что делает мультиплексор?»
Ответ: выбирает один из нескольких входных сигналов.
Микропроцессоры в современных приборах КИПиА
Микропроцессор можно представить как центральный вычислительный узел прибора: он получает данные, обрабатывает их, принимает решение и выдаёт команду.
| Узел | Назначение |
|---|---|
| АЛУ | Выполняет арифметические и логические операции |
| Устройство управления | Организует выполнение команд |
| Регистры | Временно хранят данные |
| Программный счётчик | Указывает следующую команду |
| Дешифратор команд | Участвует в распознавании и выполнении команд |
Микропроцессорные узлы используются в современных калибраторах, преобразователях и контроллерах.
Если прибор включается, питание присутствует, но устройство зависает на заставке, направление диагностики связывают с питанием процессора, тактовым генератором, reset, памятью, прошивкой, цепями обмена и периферией.
Преподавателю: итог блока
Спросите: «Какой узел микропроцессора выполняет арифметические и логические операции?»
Ответ: АЛУ.
Затем разберите ситуацию зависания прибора. Не требуйте от обучающегося ремонта микропроцессора; цель — правильно назвать направления проверки функциональных узлов.
Раздел занятия
Практика
Карточка 1. Коэффициент усиления
На вход усилителя подано 0,15 В. На выходе получено 1,5 В. Определите коэффициент усиления.
Ответ для преподавателя
K = Uвых / Uвх = 1,5 / 0,15 = 10.
Карточка 2. Усилитель не усиливает сигнал
Входной сигнал есть, питание в норме, выходной сигнал почти отсутствует. Какой узел проверить в первую очередь?
Ответ для преподавателя
Проверить усилительный каскад, питание каскада, элементы обратной связи, транзистор/ОУ и соединения.
Карточка 3. Генератор сигналов
Период сигнала на экране осциллографа 10 мс. Определите частоту.
Ответ для преподавателя
f = 1/T = 1 / 0,010 = 100 Гц.
Карточка 4. Аналоговая или цифровая микросхема
Микросхема обрабатывает сигнал 0–10 В. К какому типу её логичнее отнести?
Ответ для преподавателя
К аналоговым, так как сигнал непрерывный.
Карточка 5. Логика блокировки
Насос разрешено включить, если есть давление масла И нет аварии. Какая логическая операция используется?
Ответ для преподавателя
Операция И с инверсией аварии: Разрешение = Давление масла И НЕ Авария.
Карточка 6. Элемент памяти
Необходимо запомнить факт аварии до сброса оператором. Какой цифровой узел подходит?
Ответ для преподавателя
Триггер, так как он может хранить состояние.
Карточка 7. Микропроцессор
Прибор включается, питание есть, но зависает на заставке. Какие узлы и причины проверить?
Ответ для преподавателя
Питание процессора, кварц/тактовый генератор, reset, память, прошивку, цепи обмена и периферию.
Карточка 8. Практический разбор
Калибратор выдаёт нестабильный сигнал. Какие возможные электронные причины?
Ответ для преподавателя
Питание, опорное напряжение, генератор/ЦАП, плохой контакт, перегрев, неисправность микросхемы, помехи.
Итоговый контроль
Выберите правильный ответ. В обычном режиме ключ скрыт.
- Что такое коэффициент усиления?
1) Отношение выходного сигнала к входному
2) Сопротивление корпуса
3) Частота генератора - Какой элемент часто используют в компараторах?
1) Операционный усилитель
2) Предохранитель
3) Клеммник - Какой сигнал относится к цифровому?
1) 0/1
2) Плавное изменение 0–10 В
3) Температура воздуха - Что делает генератор сигналов?
1) Создаёт электрический сигнал заданной формы и частоты
2) Измеряет давление
3) Только защищает цепь - Если T = 20 мс, чему равна частота?
1) 50 Гц
2) 20 Гц
3) 200 Гц - Какой логический элемент выдаёт 1 только когда оба входа равны 1?
1) И
2) ИЛИ
3) НЕ - Какой элемент инвертирует сигнал?
1) НЕ
2) И
3) Повторитель - Что может хранить одно логическое состояние?
1) Триггер
2) Резистор
3) Диодный мост - Что делает мультиплексор?
1) Выбирает один из нескольких входных сигналов
2) Увеличивает мощность двигателя
3) Измеряет влажность - Какой узел микропроцессора выполняет арифметические и логические операции?
1) АЛУ
2) Разъём
3) Корпус - Что может быть причиной отсутствия генерации?
1) Неисправность задающего генератора или цепи обратной связи
2) Только ошибка в журнале
3) Всегда неисправен датчик давления - Что нужно сделать перед заменой микросхемы?
1) Отключить питание, проверить маркировку, защититься от статики
2) Сразу выпаять без проверки
3) Увеличить напряжение питания
Итоговая практическая задача
На вход электронного усилителя нормирующего преобразователя подан сигнал 0,4 В. На выходе должно быть около 4,0 В. Фактически на выходе 0,45 В. Питание присутствует. Определите наиболее вероятное направление поиска неисправности.
Ключ к итоговому контролю
Правильные варианты: 1–1; 2–1; 3–1; 4–1; 5–1; 6–1; 7–1; 8–1; 9–1; 10–1; 11–1; 12–1.
Ответ к практической задаче
Усилительный каскад не выполняет усиление. Проверить транзистор/ОУ, цепи обратной связи, элементы обвязки, пайку, питание именно каскада, входные и выходные соединения.
Критерии оценки из комплекта
- 10–12 правильных ответов и решена задача — материал усвоен хорошо.
- 7–9 правильных ответов — материал усвоен удовлетворительно, нужен разбор ошибок.
- Менее 7 правильных ответов — требуется повторение основных понятий и дополнительная консультация.
Раздел занятия
Тренажёр
Раздел занятия
Документы
Раздел занятия
Отчёт
Проведено занятие по ОП.06 «Основы электроники и радиотехники» для слесаря КИПиА 5-го разряда. Рассмотрены усилители, микросхемы, генераторы электрических колебаний, элементы цифровой техники, логические элементы, основные устройства цифровой техники и микропроцессоры. Выполнены практические задания по расчёту коэффициента усиления, определению параметров сигнала, заполнению таблиц истинности и распознаванию неисправных электронных узлов. Проведён контроль усвоения материала.