Эксперименты

2.1 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 | 0.1 | 1.0 | 10.0 | 100 | 1000
Ток источника El, A |  |  |  |  |
Напряжение на Е1, В |  |  |  |  |
Ток источника Е2, А |  |  |  |  |
Напряжение на Е2, В |  |  |  |  |
Ток источника ЕЗ, А |  |  |  |  |
Напряжение на ЕЗ, В |  |  |  |  |
Ток источника Е4, А |  |  |  |  |
Напряжение на Е4, В |  |  |  |  |

6). Снятие вольтамперных характеристик с помощью осциллографа

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 | Uynp, В | 0.1 | 1.0 | 10.0 | 100 | 1000
Ток источника, А | 5 |  |  |  |  |
Напряжение, В |  |  |  |  |  |
Ток источника, А | 10 |  |  |  |  |
Напряжение, В |  |  |  |  |  |
Ток источника, А | 1 9 |  |  |  |  |
Напряжение, В |  |  |  |  |  |
Ток источника, А | -3 |  |  |  |  |
Напряжение, В |  |  |  |  |  |

б). Снятие вольтамперных характеристик с помощью осциллографа

Эксперимент 4. Зависимые источники тока, управляемые напряжением. а). Снятие вольтамперных характеристик с помощью амперметра и вольтметра

Сопротивление, Ом | Uynp, В | 0.1 | 1.0 | 10.0 | 100 | 1000
Ток источника, А | 5 |  |  |  |  |
Напряжение, В |  |  |  |  |  |
Ток источника, А | 10 |  |  |  |  |
Напряжение, В |  |  |  |  |  |
Ток источника, А | -12 |  |  |  |  |
Напряжение, В |  |  |  |  |  |
Ток источника, А | -3 |  |  |  |  |
Напряжение, В |  |  |  |  |  |

6). Снятие вольтамперных характеристик с помощью осциллографа

Эксперимент 5. Зависимые источники ЭДС, управляемые током. а). Снятие вольтамперных характеристик с помощью амперметра и вольтметра

Сопротивление, Ом | lynp, A | 0.1 | 1.0 | 10.0 | 100 | 1000
Ток источника, А | 0.1 |  |  |  |  |
Напряжение, В |  |  |  |  |  |
Ток источника, А | 10 |  |  |  |  |
Напряжение, В |  |  |  |  |  |
Ток источника, А | -1 |  |  |  |  |
Напряжение, В |  |  |  |  |  |
Ток источника, А | -15 |  |  |  |  |
Напряжение, В |  |  |  |  |  |

6). Снятие вольтамперных характеристик с помощью осциллографа

Эксперимент 6. Зависимые источники тока, управляемые током. а). Снятие вольтамперных характеристик с помощью амперметра и вольтметра

Сопротивление, Ом | lyпp, A | 0.1 | 1.0 | 10.0 | 100 | 1000
Ток источника, А | 0.1 |  |  |  |  |
Напряжение, В |  |  |  |  |  |
Ток источника, А | 10 |  |  |  |  |
Напряжение, В |  |  |  |  |  |
Ток источника, А | -1 |  |  |  |  |
Напряжение, В |  |  |  |  |  |
Ток источника, А | -15 |  |  |  |  |
Напряжение, В |  |  |  |  |  |

6), Снятие вольтамперных характеристик с помощью осциллографа

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 | 0.1 | 1.0 | 10.0 | 100 | 1000
Ток источника Е, А |  |  |  |  |
Напряжение на Е, В |  |  |  |  |
Ток источника El, A |  |  |  |  |
Напряжение на EI, В |  |  |  |  |

б). Снятие вольтамперных характеристик с помощью осциллографа

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.