Основные теоретические сведения

Лабораторная работа №5

Исследование электрической цепи постоянного тока при последовательном соединении приемников электрической энергии.

Цель работы – изучение основных свойств и законов линейных электрических цепей постоянного тока, экспериментальное определение параметров элементов исследуемой цепи. Исследование влияния параметров элементов цепи на энергетические характеристики при различных режимах работы. Изучение программы моделирования Electronics Workbench (EWB).

Основные теоретические сведения

1. Законы электрических цепей постоянного тока.

Функционирование любого электрического устройства сопровождается непрерывным изменением энергии источников электропитателя и потребителя (приемников). Этот процесс характеризуется определенными значениями токов и напряжений, основными соотношения между которыми устанавливаются фундаментальными законами электротехники – законами Кирхгофа и Ома. Кроме того, для каждого режима работы электрической цепи может быть записано уравнение баланса мощности, отражающее закон сохранения энергии для рассматриваемой цепи.

Первый закон Кирхгофа. Алгебраическая сумма токов в любом узле электрической цепи равна нулю:

Для записи уравнения по первому закону Кирхгофа необходимо произвольно выбрать положительное направления токов во всех ветвях электрической цепи учитывать их со знаком “плюс”, если они направлены к выбранному узлу, и со знаком “минус”, если они направлены от этого узла.

Второй закон Кирхгофа. В любом электрически замкнутом контуре электрической цепи алгебраическая сумма ЭДС равна алгебраической сумме напряжений на всех резистивных элементах того же контура:

Часто в электрических цепях между узлами цепи имеются те или иные напряжения. С учетом сказанного уравнения второго закона Кирхгофа в наиболее общем случае принимает вид:

Для записи уравнения (3) необходимо:

• выбрать положительное направления напряжений, ЭДС, токов;
• выбрать направление обхода контура;

 со знаком “плюс” учитывать те слагаемые, положительное направления которых совпадают с направлением обхода контура в противном случае – со знаком «минус».

Закон Ома определяет связь между основными электрическими величинами на участках цепи. Для пассивного участка цепи, т.е. не содержащего источников, закон Ома можно записать в виде:

Уравнение баланса мощностей в соответствии с законом сохранения энергии формулируется следующим образом: суммарная мощность, отдаваемая всеми источниками электрической энергии, в цепь, должна быть равна мощности, потребляемой всеми приемниками, т.е.

Так как источники энергии в зависимости от условий работы могут не только отдавать мощность, но и потреблять ее (например зарядка электрического аккумулятора), то уравнения баланса мощностей составляют с учетом действительных направлений ЭДС напряжений и токов и записывают в общем случае так:

В этом уравнении стрелками обозначены возможные взаимные направления ЭДС, напряжений и токов.

Мощность Р — это скорость, с которой совершается работа, т. е. происходит преобразование электрической энергии А в другие виды энергии. Работа, производимая электрическим током силой I при напря­жении U за время (t) равна А = UIt. Отсюда

P = A/t=(UIt)/t=UI=U²/R = I²R.

Закон сохранения энергии {баланс мощностей) — электриче­ская энергия (мощность), вырабатываемая источниками, рав­на энергии (мощности), потребляемой нагрузкой и вспомога­тельными элементами:

 

2. Знакомство с системой Electronics Workbench

Разработка любого радиоэлектронного устройства сопровождается, как

правило, физическим или математическим моделированием. Физическое

моделирование связано с большими материальными затратами, поскольку требуется изготовление макетов и их исследование, которое может быть весьма трудоемким. Поэтому часто применяют математическое моделирование с использованием средств И методов вычислительной техники. Одной из таких программ является электронная система моделирования Electronics Workbench (EWB), отличающаяся простым и легко осваиваемым пользовательским интерфейсом.

Запустив интегрированный пакет Electronics Workbench, вы увидите диалоговое окно и окно редактирования (рис. 1). Окно редактирования заполнено некоторыми компонентами. Диалоговое окно Electronics Workbench содержит поле меню, библиотеку компонентов и линейку контрольно-измерительных приборов расположенных в одном поле. Поле меню аналогичное с многими Windows-приложениями. Опции главного меню легко изучить самостоятельно.

 

 

 

Рис. 1

Несколько более подробно остановимся на некоторых компонентах и конрольно-измерительных приборах. На рисунке 1 в окне редактирования, начиная слева сверху, двигаясь направо, приведены обозначения следующих компонентов и конрольно-измерительных приборов: заземление, батарея, источник постоянного тока, источник переменного синусоидального тока (эффективное значения тока, частота, фаза), источник переменного синусоидального напряжения (эффективное значение тока, частота, фаза), резистор, конденсатор, катушка (индуктивность), трансформатор, переключатель, электролитический конденсатор, конденсатор переменной емкости, катушка переменной индуктивности, диод, стабилитрон, светодиод, диодный мост, диод Шокли, n – p – n транзистор, p – n –p транзистор, далее 4 вида полевых транзисторов, вольтметр, амперметр, лампа накаливания (напряжение, мощность), светодиод (цвет свечения), мультиметр, осциллограф, измеритель амплитудно-частотных и фазо-частотных характеристик.

 

3. Алгоритм подготовки и запуска электрических схем

1. Выбор необходимых компонентов электрической схемы и расположение их в окне редактирования Electronics Workbench 5.12.

Для этого подводим указатель мыши к одной из пиктограмм библиотеки компонентов или линейке контрольно-измерительных приборов и щелкаем левой кнопкой мыши. Выпадает одна из выбранных групп компонентов. Для того, чтобы выбрать необходимый, подводим указатель мыши к компоненту, нажимаем левую кнопку мыши (не отпускаем кнопку), перемещаем компонент на окно редактирования, отпускаем кнопку.

 

2. Ввод и изменение параметров выбранных компонентов.

Подводим указатель мыши к компоненту в окно редактирования и щелкаем два раза левой кнопкой мыши. Выпадает меню, состоящее из нескольких опций. Рассмотрим два из них:

Label – необходим для написания обозначения компонента;

Value – необходим для простановки значений компонента.

В контрольно-измерительных приборах при необходимости, например, в вольтметрах и амперметрах, при внесении параметров в опции Label, указываем для какого тока постоянного или переменного; в Mode выбираем DC – для постоянного тока, AC – для переменного.

 

3. Соединение компонентов электрической схемы.

После размещения компонентов и простановки параметров производится соединение их выводов проводниками. При этом необходимо учитывать, что к выводу компонента можно подключить только один проводник. Для выполнения подключения указатель мыши подводим к выводу компонента и после появления жирной точки (указатель соединения) нажимаем левую кнопку мыши, и появляющийся при этом проводник протягиваем к выводу другого компонента до появления на нем такой же жирной точки, после чего кнопку мыши отпускаем, соединение готово. Если соединение нужно разорвать, указатель мыши подводим к одному из выводов компонента или к точке соединения и при появлении указателя соединения нажимаем левую кнопку, проводник отводим на свободное место рабочего поля, после чего кнопку отпускаем. Если необходимо вывод компонента подключить к имеющемуся на схеме проводнику, то из вывода компонента проводник указателем мыши подводим к указанному проводнику и после появления точки соединения кнопку мыши отпускаем. Отметим, что прокладка соединительных проводов производится автоматически, причем препятствия – компоненты и проводники огибаются по ортогональным направлениям (по горизонтали или вертикали).

 

4. Подключение электрической схемы к питанию.

В правом верхнем углу диалогового окна расположена пиктограмма 0 1

0 – отключено питание;

1 – включено питание. После включения питания на контрольно-измерительных приборах регистрируются характеристики и значения собранной модели электрической схемы.

 

4. Задание и порядок выполнения работы

Оборудование: 

Электронная лаборатория Electronic Workbench 5.12.

Задание:

1. Собрать схему исследуемой электрической цепи.

2.  Определить параметры цепи при работе:

- на холостом ходу;

- в рабочем режиме;

- в режиме короткого замыкания.

3. Записать значения параметров в таблицу.

4. Сделать выводы.

Порядок выполнения работы.

1. Собрать электрическую схему (рис. 2) и предъявить ее для проверки преподавателю. Значение сопротивления R1 соответствует порядковому номеру обучающегося в классном журнале.

Рис.2

2. Провести измерения параметров цепи на холостом ходу, для чего:

- переключатели №№1,2 установить в положение «разомкнуто»;

- включить питание;

Параметр	Участок цепи
	R1	R2	R3				Значение параметра на участке а-в, если
	?	100 Ом	25 Ом	50 Ом	75 Ом	100 Ом	R3=25 Ом	R3=50 Ом	R3=75 Ом	R3=100 Ом
R, Ом
U, В
I, мА
P, Вт

- показания приборов записать в таблицу 1.

Таблица 1

 

- выключить питание.

3. Провести измерения параметров цепи на рабочем ходу, для чего:

- переключатели №1 установить в положение «замкнуто», а №2 в положение «разомкнуто»;

- включить питание;

 

Параметр	Участок цепи
	R1	R2	R3				Значение параметра на участке а-в, если
	?	100 Ом	25 Ом	50 Ом	75 Ом	100 Ом	R3=25 Ом	R3=50 Ом	R3=75 Ом	R3=100 Ом
R, Ом
U, В
I, мА
P, Вт

- показания приборов записать в таблицу 2.

Таблица 2

 

- выключить питание.

4. Провести измерения параметров цепи в режиме короткого замыкания, для чего:

- переключатели №1, установить в положение «разомкнуто», а №2 в положение «замкнуто»;

- включить питание;

Параметр	Участок цепи
	R1	R2	R3				Значение параметра на участке а-в, если
	?	100 Ом	25 Ом	50 Ом	75 Ом	100 Ом	R3=25 Ом	R3=50 Ом	R3=75 Ом	R3=100 Ом
R, Ом
U, В
I, мА
P, Вт

- показания приборов записать в таблицу 3.

Таблица 3

 

- выключить питание.

 

5. Провести расчет мощности, рассеиваемой на каждой нагрузке, а также баланс мощности во всей цепи.

6. Сделать вывод.

 

5. Контрольные вопросы

1. Что такое сипа тока, напряжение, электродвижущая сила, сопротивление, проводимость, мощность?

2. Дайте определение постоянного и переменного тока.

3. Сформулируйте основные законы электротехники.

4. Назовите способы соединения приемников электрической энергии.

5. Чему равны общие сопротивления ЭЦ при последовательном и параллельном соединении приемников электрической энергии?

6. Литература

1. Бутырин П.А., Толчеев О.В., Шакирзянов Ф.Н. Электротехника: Учебник. – М: ОИЦ «Академия», 2010. – 272 с.

2. Немцов М.В., Светлакова И.И. Электротехника: Учебное пособие. –Ростов на Дону: «Феникс», 2009. –571 с.

3. Прошин В.М. Электротехника: Учебник. – М: ОИЦ «Академия», 2010. – 288 с.

4. Ярочкина Г.В. Контрольные материалы по электротехнике: Учебное пособие. – М: ОИЦ «Академия», 2010. – 112 с.