Исследование элементов элнктрических цепей
Цель
1. Анализ вольтамперных характеристик пассивных двухполюсников резистивного типа.
2. Анализ характеристик управляемых источников энергии.
3. Анализ процессов в конденсаторе и катушке индуктивности.
Приборы и вспомогательные элементы
Краткие сведения из теории
Элементы электрической цепи можно разделить на элементы, генерирующие энергию(источники питания,
активные элементы), элементы, преобразующи электромагнитную энергию в другие формы энергии
( резестивные элементы). Свойства первых двух групп элементов можно описывать зависимостями тока
через них от напряжения(вольтамперными характеристиками). Исследовать их свойства можно применяя
сигналы, не изменяющиеся во времени. Токи и напряжения в реактивных элементах связаны интегро-
дифферениальными зависимостями, и для исследования их свойств необходимо генерировать
изменяющиеся во времени сигналы.
Таблица 2. 1. Обозначения и свойства двухполюсных идеальных источников питания
1. Независимые идеальные источники питания. Простейшими источниками питания в электротехнике являются идеальные источники тока и напряжения. Они имеют бесконечно большую мощность. Свойства и обозначения основных типов идеальных источников (активных двухполюсников), использующихся в электротехнике и имеющихся в Workbench, приведены в табл. 2. 1. Таблица 22. Обозначения и свойства управляемых (четырехполюсных) идеальных источников питания
Таблица 2. 3. Обозначения и свойства резисторов
2. Зависимые источники питания. Зависимые источники питания представляются четырехполюсниками и являются идеальными источниками питания, управляемыми входным сигналом тока или напряжения. При этом величина выходного напряжения или тока в каждый момент времени определяется мгновенным значением входного управляющего сигнала и коэффициентом передачи четырехполюсника в соответствии с табл. 2. 2. 3. Резистор. Вольтамперная характеристика линейного резистора выражается законом Ома, который и является для этого элемента компонентным уравнением (табл. 2. 3.). 4. Неидеальный источник напряжения. Этот источник напряжения представляет собой блок, который составляется из двух описанных элементов: идеального источника ЭДС и последовательно с ним включенного резистора (рис. 2. 1а). 5. Неидеальный источник тока. Неидеальный источник тока представляет собой блок, который составляется из двух описанных элементов: идеального источника тока и параллельно с ним включенного резистора (рис. 2. 16).
6. Конденсатор и катушка индуктивности. Интегродифференциальные соотношения, определяющие связь между токами и напряжениями и величину запасаемой энергии в реактивных элементах, приведены в табл. 2. 4.
Таблица 2. 4. Обозначения и свойства конденсаторов и катушек индуктивности
Порядок проведения экспериментов
Эксперимент 1. Идеальный источник постоянной ЭДС. а). Снятие вольтамперных характеристик с помощью амперметра и вольтметра. Откройте файл с2_01 (рис. 2. 2, верхняя часть}. Подключите идеальный источник постоянной ЭДС на систему из нескольких нагрузочных резисторов. Размыкая и замыкая перемычки у резисторов и измеряя ток и напряжение, заполните таблицу в разделе "Результаты экспериментов". Постройте внешние характеристики идеальных источников ЭДС.
б). Снятие вольтамперных характеристик с помощью осциллографа. Автоматизировать процесс снятия внешней вольтамперной характеристики идеального источника ЭДС можно с помощью осциллографа, работающего в режиме характериографа (рис. 2. 2, нижняя часть). В этом случае дополнительный источник синусоидального напряжения обеспечивает протекание различных значений тока через источник идеальной ЭДС, а внешняя характеристика изображается непосредственно на экране. Снимите характеристики всех источников ЭДС нижней схемы рис. 2. 2 этим методом и зарисуйте их на экране осциллографа, изображенном в разделе "Результаты экспериментов". С методикой измерения Вы можете ознакомиться по Приложению 1. Эксперимент 2. Идеальный источник постоянного тока.
а). Снятие вольтамперных характеристик с помощью амперметра и вольтметра. Откройте файл с2_02 (рис. 2. 3, верхняя часть). Подключите идеальный источник постоянного тока на систему из нескольких нагрузочных резисторов. Размыкая и замыкая перемычки у резисторов и измеряя ток и напряжение, заполните таблицу в разделе "Результаты экспериментов". Постройте внешнюю характеристику идеального источника тока.
б). Снятие вольтамперных характеристик с помощью осциллографа. Для схемы (рис. 2. 3, нижняя часть) снимите характеристики и зарисуйте их на экране осциллографа, изображенном в разделе "Результаты экспериментов". Эксперимент 3. Зависимые источники ЭДС, управляемые напряжением.
а). Снятие вольтамперных характеристик с помощью амперметра и вольтметра. Откройте файл с2_03а (рис. 2. 4, верхняя часть). Подключая цепь управления источника к различным источникам ЭДС, размыкая и замыкая перемычки нагрузки и измеряя ток и напряжение, заполните таблицы в разделе "Результаты экспериментов". Постройте характеристики источника. б). Снятие вольтамперных характеристик с помощью осциллографа. Для схемы (рис. 2. 4, нижняя часть) снимите характеристики и зарисуйте их на экране осциллографа, изображенном в разделе "Результаты экспериментов". Эксперимент 4. Зависимые источники тока, управляемые напряжением. а). Снятие вольтамперных характеристик с помощью амперметра и вольтметра. Откройте файл с2_ОЗЬ. са4 (рис. 2. 5, верхняя часть). Подключая цепь управления источника к различным источникам ЭДС, заполните таблицы в разделе "Результаты экспериментов и построите внешние характеристики источника. б). Снятие вольтамперных характеристик с помощью осциллографа. Для схемы (рис. 2. 5, нижняя часть) снимите характеристики и зарисуйте их на экране осциллографа, изображенном в разделе "Результаты экспериментов".
Эксперимент 5. Зависимые источники ЭДС, управляемые током (1). а). Снятие волътамперных характеристик с помощью амперметра и вольтметра. Откройте файл с2_04а (рис. 2. 6, верхняя часть). Для выбранного входного тока источника, размыкая и замыкая перемычки нагрузки и измеряя ток и напряжение, заполните таблицы в разделе "Результаты экспериментов" и постройте внешние характеристики источника при различных величинах входного тока.
б). Снятие вольтамперных характеристик с помощью осциллографа. Для схемы (рис. 2. 6, нижняя часть) снимите характеристики и зарисуйте их на экране осциллографа, изображенном в разделе "Результаты экспериментов". Эксперимент 6. Зависимые источники тока, управляемые током. а). Снятие вольтамперных характеристик с помощью амперметра и вольтметра. Откройте файл с2_04Ь (рис. 2. 7, верхняя часть). Подключая цепь управления источника к различным источникам тока, размыкая и замыкая перемычки нагрузки и измеряя ток и напряжение, заполните таблицы в разделе "Результаты экспериментов" и постройте характеристики источника. б). Снятие вольтамперных характеристик с помощью осциллографа. Для схемы (рис. 2. 7, нижняя часть) снимите характеристики и зарисуйте их на экране осциллографа, изображенном в разделе "Результаты экспериментов".
Эксперимент 7. Вольт-амперные характеристики резистора. а). Снятие вольтамперпых характеристик с помощью амперметра и вольтметра. Откройте файл с2_01. са4 (рис. 2. 2 верхняя часть). Установите номиналы сопротивлений для любых двух резисторов в 100 и 200 Ом. Снимите вольтамперную характеристику поочередно для каждого из сопротивлений, используя амперметр и вольтметр и подключая к этим резисторам различные источники ЭДС. Постройте вольтамперные характеристики резисторов в разделе "Результаты экспериментов". 6). Снятие вольтамперных характеристик с помощью осциллографа. Откройте файл с2_05. са4 (рис. 2. 8), Получите те же характеристики, используя осциллограф в режиме характериографа. Характеристика первого сопротивления снимается при запуске программы вычислений, второго - при переключении ключа Space. Вычислите значения сопротивлений по вольтамперным характеристикам.
Эксперимент 8. Внешние характеристики неидеальных источников тока и ЭДС. а). Снятие вольтамперных характеристик с помощью амперметра и вольтметра. Откройте файл с2_06. са4 (рис. 2. 9, верхняя часть). Снимите внешние характеристики неидеальных источников с помощью вольтметра и амперметра, изменяя нагрузочное сопротивление. Заполните таблицу в разделе "Результаты экспериментов" и постройте внешние характеристики источников. б). Снятие вольтамперных характеристик с помощью осциллографа. Для схемы (рис. 2. 9, нижняя часть) снимите характеристики и зарисуйте их на экране осциллографа, изображенном в разделе "Результаты экспериментов".
Эксперимент 9. Исследование процессов в катушке индуктивности. Соотношения между током и напряжением в катушке индуктивности исследуются при подаче последовательности разнополярных прямоугольных импульсов напряжения Откройте файл с2_08. са4 (рис. 2. 10). Получите осциллограммы тока и напряжения на катушке индуктивности. Зарисуйте их в раделе "Результаты экспериментов". Из осциллограмм определите величину индуктивности, используя формулы из табл. 2.4. Эксперимент 10. Исследование процессов в конденсаторе. Соотношения между током и напряжением в конденсаторе исследуются при подаче последовательности разнополярных прямоугольных импульсов тока Откройте файл с2_09.са4 (рис. 2.11). Получите осциллограммы тока и напряжения на конденсаторе. Зарисуйте их в раделе "Результаты экспериментов". Из осциллограмм определите величину емкости конденсатора, используя формулы из табл. 2.4.
Результаты экспериментов Эксперимент 1. Идеальный источник постоянной ЭДС. а). Снятие вольтамперных характеристик с помощью амперметра и вольтметра
Сопротивление, Ом
Эксперимент 2. Идеальные источники постоянного тока. а). Снятие вольтамперных характеристик с помощью амперметра и вольтметра
б). Снятие вольтамперных характеристик с помощью осциллографа
Эксперимент 3. Зависимые источники ЭДС, управляемые напряжением. а). Снятие вольтамперных характеристик с помощью амперметра и вольтметра
Сопротивление, Ом
Эксперимент 4. Зависимые источники тока, управляемые напряжением. а). Снятие вольтамперных характеристик с помощью амперметра и вольтметра
Сопротивление, Ом
Эксперимент 5. Зависимые источники ЭДС, управляемые током. а). Снятие вольтамперных характеристик с помощью амперметра и вольтметра
Сопротивление, Ом
Эксперимент 6. Зависимые источники тока, управляемые током. а). Снятие вольтамперных характеристик с помощью амперметра и вольтметра
Сопротивление, Ом
Эксперимент 7. Вольтамперные характеристики резисторов. а). Снятие вольтамперных характеристик с помощью осциллографа
Сопротивление первого резистора
Сопротивление второго резистора
Эксперимент 8. Внешние характеристики неидеальных источников тока и ЭДС. а). Снятие вольтамперных характеристик с помощью амперметра и вольтметра
Сопротивление, Ом
Внутреннее сопротивление неидеального источника ЭДС
Внутреннее сопротивление неидеального источника тока
Напряжение холостого хода неидеального источника ЭДС
Ток короткого замыкания неидеального источника тока
Эксперимент 9. Исследование процессов в катушке индуктивности.
Значения параметров
Напряжение на катушке, В
Время действия напряжения, с
Приращение тока, А
Индуктивность, Гн
Эксперимент 10. Исследование процессов в конденсаторе.
Значения параметров
Ток через конденсатор, А
Время прохождения тока, с
Приращения напряжения, В
Емкость, Ф
Вопросы
1. Перечислите все возможные типы источников ЭДС, имеющиеся в программе Electronics Workbench. Каковы их свойства и условные обозначения?
2. Чему равно внутреннее сопротивление идеального источника ЭДС и как его определить?
3. Перечислите все возможные типы источников тока, имеющиеся в программе Electronics Workbench. Каковы их свойства и условные обозначения?
4. Чему равно внутреннее сопротивление идеального источника тока и как его определить?
5. Чем отличаются неидеальные источники энергии от идеальных?
6. Как осуществить эквивалентное преобразование неидеального источника напряжения в неидеальный источник тока и обратное преобразование?
7. Представьте все возможные виды вольтамперных характеристик исследованных активных и пассивных двухполюсников. В чем их различия?
8. К идеальной катушке индуктивности с нулевым начальным значением тока подключается идеальный источник постоянной ЭДС. Как из графика тока в катушке определить величину индуктивности?
9. К идеальной катушке индуктивности с ненулевым начальным значением тока подключается идеальный источник постоянной ЭДС. Как будет изменяться график при изменении величины начального тока?
10. К идеальной катушке индуктивности с нулевым начальным значением тока подключается идеальный источник синусоидальной ЭДС. Нарисуйте временные зависимости тока в индуктивности при различных начальных фазах подключения источника ЭДС.
11. К идеальному конденсатору с нулевым начальным напряжением подключается источник постоянного тока. Как из графика напряжения на конденсаторе определить величину его емкости?
12. К идеальному конденсатору с ненулевым начальным напряжением подключается источник постоянного тока. Нарисуйте временные зависимости напряжения на конденсаторе при при различных значениях начального напряжения.
13. К идеальному конденсатору с нулевым начальным значением напряжения подключается идеальный источник синусоидального тока. Нарисуйте временные зависимости напряжения на конденсаторе при различных начальных фазах подключения источника тока.
