СОДЕРЖАНИЕ
Введение. 4
1 Перечень лабораторных работ. 5
2 Техника безопасности в.лаборатории ТЭЦ.. 5
3 Литература. 7
4 Требования к оформлению лабораторной работы.. 8
5 Лабораторная работа №1 «Знакомство с универсальным стендом ЛКТЦ» 12
6 Лабораторная работа №2 «Исследование источников». 20
7 Лабораторная работа №3 «Исследование делителей напряжения». 29
8 Лабораторная работа №4 «Исследование активных цепей». 37
9 Лабораторная работа №5 «Исследование неразветвленных цепей при гармоническом воздействии на постоянной частоте». 48
10 Лабораторная работа №6 «Исследование входных и передаточных АЧХ и ФЧХ в цепях первого порядка». 57
Введение
Руководство к проведению лабораторных работ составлено в соответствии с программой утвержденной 11.09.1997г.
При выполнении лабораторных работ по предмету ТЕОРИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ студенты закрепляют теоретические знания, а также приобретают практические навыки в сборке схем и пользования электроизмерительными приборами.
Для успешного выполнения всех лабораторных работ студентам необходимо подготовиться к работе дома. Перед каждой лабораторной работой следует повторить соответствующие разделы по учебнику и конспекту, ознакомиться с планом выполнения данной работы и усвоить цели и задачи, поставленные в лабораторной работе. Каждый студент должен выполнить домашнее задание, т.е. начертить схемы, таблицы, подготовить ответы на контрольные вопросы.
К выполнению лабораторных работ студенты допускаются только после прохождения инструктажа по технике безопасности.
Перед сборкой электрической цепи студент должен ознакомиться с оборудованием, электроизмерительными приборами, определить цену деления каждого прибора.
При сборке электрической цепи целесообразно сначала соединить токовую последовательную цепь, а затем параллельные ветви и электроизмерительные приборы.
Регуляторы напряжения установить в положение, обеспечивающее минимальный ток во всех элементах цепи.
Подключение цепи к источнику питания может производиться только после проверки ее с разрешения преподавателя.
Все необходимые переключения нужно производить только при выключенном напряжении.
Всякие измерения в цепи должны быть проверены преподавателем.
По окончании работы необходимо:
1. Регуляторы напряжения перевести в нулевое положение.
2. Показать результаты измерений преподавателю.
3. С разрешения преподавателя разобрать цепь, привести в порядок рабочее место.
1 ПЕРЕЧЕНЬ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ
1 Знакомство с универсальным стендом ЛКТЦ: - 2ч.
2 Исследование источников: - 2ч.
3 Исследование делителей напряжения: - 2ч.
4 Исследование активных цепей: - 2ч.
5 Исследование неразветвленных цепей при гармоническом воздействии на постоянной частоте: - 2ч.
6 Исследование входных и передаточных АЧХ и ФЧХ RL- и RC- цепей: -2ч.
2 ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ В.ЛАБОРАТОРИИ ТЭЦ
Перед началом выполнения лабораторной работы студенты должны заранее подготовить задание, ознакомившись с содержимым и порядком ее выполнения. Сборку схем следует начинать с токовой последовательной цепи, подключая затем параллельные цепи.
Схемы следует собирать так, чтобы провода не перекрещивались, не натягивались и не скручивались петлями. Не допускать замыкания оголенных проводов - наконечников в их присоединении к измерительным приборам. Измерительные приборы надо располагать так, чтобы удобно было осуществить монтаж схемы и наблюдать за показаниями приборов. После сборки схема проверяется преподавателем. Запрещается брать оборудование и приборы с других рабочих мест безразрешения преподавателя. В случае обнаружения неисправности приборов или соединительных проводов, студенты должны немедленно сообщить об этом преподавателю. За приборы и оборудование, используемое в работе, студенты несут материальную ответственность в случае порчи последних по их вине.
Категорически запрещается работа с неисправными приборами и соединительными проводами. По окончании работы следует предъявить преподавателю результаты измерений - рабочие листки с контрольными подсчетами.
Если полученные результаты неправильны, то опыт следует повторить. Отчет следует писать чернилами, а графики и диаграммы должны быть вычерчены в масштабе чертежными инструментами. В конце отчета должны быть сделаны выводы по результатам эксперимента, в которых отмечается соответствие результатов с теоретическими положениями, а также имевшиеся отклонения и их возможные причины. Закончив работу, необходимо привести в порядок рабочее место, разобрать схему, аккуратно расставить приборы, сложить монтажные провода, поставить на место стулья.
Оставлять рабочее место только после разрешения преподавателя. Студенты, пропустившие занятия, должны выполнить работу в свободное от занятий время по расписанию лаборатории.
Сборку и разборку схем, а так же присоединения в них производить только при отключенном источнике тока. Во время работы запрещается прикасаться голыми руками к неизолированным частям схемы, находящейся под напряжением.
Во время работы запрещается отходить от собранной схемы, подключенной под напряжение.
Замену предохранителей на панели питания производить при выключенном рубильнике.
При поражении студента током следует:
а) немедленно отключить напряжение;
б) оказать доврачебную помощь и вызвать скорую помощь.
За умышленное несоблюдение правил техники безопасности и порчу лабораторного оборудования студенты несут материальную и дисциплинарную ответственность.
3 ЛИТЕРАТУРА.
Основная.
1. Добротворский И. Н. Теория электрических цепей.- М.: Радио и Связь, 1989.-472 с.
2. Агасьян М. В., Орлов Е. А. Электротехника и электрические измерения.-М.: Радио и Связь, 1983 г.
3. Ачкасова Г. А., Разумовская Е. К. Сборник задач теории электрических цепей.- М.: Радио и Связь, 1984 г.
Дополнительная.
1 Евдокимов Ф. Е. Теоретические основы электротехники.- М.:Высшая школа, 1981, изд. 5.
2 Шиноков Ю. С., Колодяжный Ю. М. Основы радиотехники.-М: Радио и Связь, 1983.
3 Попов П. А. Теория связи по проводам. - М.: Связь Л 978.
4 ТРЕБОВАНИЯ К ОФОРМЛЕНИЮ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ
1. Лабораторные работы выполняются в обычной ученической тетради. Каждая страница должна быть пронумерованной и иметь поля шириной 2,5-3 см.
2. Каждая лабораторная работа должна иметь титульный лист, который должен содержать следующие сведения: название министерства, название учебного заведения, лаборатории, номер и название лабораторной работы, фамилию, инициалы студента, номер группы, город, в котором находится учебное заведение, год выполнения. Приводим образец оформления титульного листа
3. Графическая часть каждой лабораторной работы должна быть выполнена с соблюдением ГОСТов, все чертежи, рисунки, схемы, таблицы должны иметь нумерацию.
4. Отчеты по лабораторным работам должны содержать следующие сведения: название работы, цель работы, предварительные расчеты(таблицы, графики), ответы на вопросы для доступа к выполнению лабораторной работы, принципиальные схемы, таблицы с экспериментальными данными и расчетами по экспериментальным данным, выводы по работе, ответы на вопросы для защиты работы. Защита лабораторных работ производится в соответствии с указаниями преподавателей.
Образец
Министерство связи РБ
ВФ ВГКС
Лаборатория теории электрических цепей
Отчет
по лабораторной работе №1
«Знакомство с универсальным стендом ЛКТЦ»
Студента группы ПО 421
Иванова И. И.
Витебск 2009
Таблица 1 – Множители и приставки
| Множитель | Наименование | Приставки | |
| Обозначение | |||
| Русское | Международное | ||
| 109 | гига | Г | G |
| 106 | мега | М | M |
| 103 | кило | к | k |
| 102 | гекто | г | h |
| 101 | дека | да | da |
| 10-1 | деци | Д | d |
| 10-2 | санта | с | c |
| 10-3 | милли | м | m |
| 10-6 | микро | мк | μ |
| 10-9 | нано | н | n |
| 10-12 | пико | п | p |
Таблица 2 – Международная система единиц СИ по ГОСТ 1494 – 77
| Величина | Единица | ||
| Наименование | Обозначение | Наименование | Обозначение |
| Электродвижущая сила ЭДС | Е | вольт | В |
| Напряжение | U | вольт | В |
| Ток | I | Ампер | А |
| Сопротивление | R | Ом | Ом |
| Мощность | РА РР, РQ РS | Ватт (активная) Вольт-ампер(реактивная) Вольт-ампер(полная) | Вт Вар ВА |
| Энергия | W | Джоуль | Дж |
| Магнитный поток | Ф | Вебер | Вб |
| Магнитная индукция | В | Тесла | Тл |
| Напряженность магнитного поля | Н | Ампер на метр | А/м |
| Емкость | С | Фарад | Ф |
| Индуктивность | L | Генри | Гн |
| Сила | F | Ньютон | Н |
| Частота | f | Герц | Гц |
| Угловая частота | ω | с-1 | |
| Скорость движения | υ | Метр на секунду | М/с |
1)
2)
3)
4)
5)
Рисунок 1 – Условное графическое обозначение в схемах по ГОСТ 2.730 – 73
5 Лабораторная работа №1
«Знакомство с универсальным стендом ЛКТЦ»
1 Цель работы: Ознакомиться с блоками лабораторного стенда ЛКТЦ, выяснить их назначение, изучить органы управления генератора и осциллографа лабораторного стенда ЛКТЦ; прибрести практические навыки работы с генератором и осциллографом лабораторного стенда ЛКТЦ.
2 Литература: Евдокимов Ф.Е. Теоретические основы электроники. М.: Высшая школа, изд. 5.
3 Подготовка к работе:
3.1 Изучить назначение, устройство, принцип действия блоков генератора и осциллографа, органы управления этими блоками, а также правила пользования.
3.2 Подготовить бланк отчета.
3.3 Ответить на вопросы для доступа к работе.
3.3.1 Что называется минимальным значением ЭДС, напряжения, тока?
3.3.2 Как записываются мгновенные значения ЭДС, напряжения, тока?
3.3.3 Какая разница между понятиями "мгновенное значение" и "мгновенные значения" ЭДС, напряжения, тока?
3.3.4 Что такое размах напряжения, тока?
3.3.3 Что такое максимальное значение ЭДС, напряжения, тока?
3.3.4 Что такое действующее значение ЭДС, напряжения, тока?
3.3.5 Какое соотношение между размахом и максимальным, действующим значениями ЭДС, напряжения, тока?
4. Основное оборудование:
4.1 Универсальный стенд ЛКЦТ.
4.2 Задающий генератор.
4.3 Преобразователь сигналов.
4.4 Усилитель мощности.
4.5 Электронный коммутатор.
4.6 Осциллограф.
4.7 Анализатор спектра.
4.8 Электронный фазометр.
4.9 Умножитель частоты.
4.10 Делитель частоты.
4.11 Электронный вольтметр с автоматическим переключением пределов измерения.
4.12 Цепи с распределительными параметрами.
4.13 Источники напряжения.
4.14 Независимый и зависимый источники тока.
4.15 Цепи с нелинейными элементами.
4.16 Цепи с обратной связью.
4.17 Гиратор.
4.18 Сумматор.
4.19 Избирательные цепи с активными элементами.
4.20 Магазины резистивных элементов.
4.21Наборы резисторов, катушек индуктивностей, конденсаторов.
4.22 Блоки питания.
5 Задание:
5.1 Изучить конструкцию стенда(см. п. 9).
5.2 Измерить значения размаха напряжения.
5.3 Зарисовать изображения, получаемые на электронно-лучевой трубке.
6 Порядок выполнения работы:
6.1 Требования техники безопасности. Пройти инструктаж по ТБ, расписаться в контрольном листе, строго соблюдать инструкцию по ТБ.
6.2 На блоке питания включить тумблеры:
а) «СЕТЬ», при этом загораются на обеих сторонах блока питания световые индикаторы
б) тумблер «ГЕНЕРАТОР», при этом загораются индикаторы на блоках Г1, Г2, ГЗ;
в) тумблер «КОММУТАТОР-ОСЦИЛЛОГРАФ», загорается световой индикатор на блоке «ЭЛЕКТРОННЫЙ КОММУТАТОР»;
6.3 На блоке Г1 тумблер режима работы генератора установить в положение «ВНУТР».
6.4 На блоке Г2 переключатель вида сигналов установить в позицию 
2кГц(3-е положение при повороте переключателя по часовой стрелке).
6.5 На блоке ГЗ тумблер переключателя пределов вольтметра VI -в положение «10 В», тумблер переключателя мощности - в положение «НОРМ»;
6.6 На блоке электронного коммутатора (ЭК) тумблер «ВХОД X», который находится в правой части блока ЭК, установить в положение «ВНУТР». Тумблер ступенчатого изменения входного напряжения канала 2, называемый «ОСЛАБЛЕНИЕ», установить в положение «1:10». Тумблер ступенчатого изменения входного напряжения канала 1, называемый «ОСЛАБЛЕНИЕ», установить в положение «1:10».Тумблер, открывающий вход 1 канала, переключить в положение «ВНУТР». Тумблер «КАНАЛ 1 и 2» установить в среднее положение, при этом включаются оба вертикальных входа каналов 1 и 2. После проведения операций ко входу 1 канала осциллографа подключить генератор с напряжением синусоидальной формы, ко входу 2 канала сигналы на подключены;
6.7 На экране осциллографа получить изображение координатной вертикальной оси. С помощью регуляторов «↕» и «↔» вертикальную ось начала координат установить в левой части экрана;
6.8 Поворачивая регулятор «РАСХОЖДЕНИЕ» на блоке ЭК, установить на экране осциллографа изображение первого канала, которое должно находиться в верхней части экрана, а второго канала - в нижней. Поворачивая регулятор «УСИЛ» первого канала, установить такое положение, при котором размах синусоиды занимает четыре клетки;
6.9 Поворачивая регулятор «УСИЛ. X», установить изображение размером 6-8 клеток по горизонтали. С помощью регулятора «↔» установить изображение симметрично относительно краев трубки осциллографа;
6.10 Проверить работу регулятора «РАЗВЕРТКИ» на блоке ЭК. Поворот регулятора должен изменять количество периодов колебаний. Установить регулятором положение, при котором один период занимает четыре клетки по горизонтали;
6.11 Убедиться в том, что при установке переключателя «ВХОД X» во второе положение «ВНЕШ» на экране вместо изображения синусоиды окажется вертикальная линия. Возвратить переключатель «ВХОД X» в положение «ВНУТР» Записать положение регуляторов, зарисовать изображения в отчет;
6.12 Научиться производить тарировку. Определить цену деления клетки по вертикали. Для чего нажать кнопку «ТАРИР» первого канала и, не отпуская ее, одновременно, поворачивая регулятор «ТАРИР. НАПР.», по часовой стрелке (синусоида исчезает, появляется сигнал прямоугольной формы) установить размер сигнала прямоугольной формы в одну клетку, снять показания по верхней шкале вольтметра V1;
РАЗМАХ НАПРЯЖЕНИЯ РАВЕН ПРОИЗВЕДЕНИЮ ЦЕНЫ ДЕЛЕНИЯ КЛЕТКИ НА ЧИСЛО КЛЕТОК, ЗАНИМАЕМЫХ ИЗОБРАЖЕНИЕМ СИГНАЛА ПО ВЕРТИКАЛИ.
Например, если тарированный сигнал прямоугольной формы занимает по вертикали одну клетку, а вольтметр при этом показывает 25 делений (2,5 В), то это означает, что цена деления по вертикали составляет 2,5 В/клетку.
Получить на экране осциллографа изображение сигнала различной формы. Для этого:
6.13 Соединить внешним проводом гнезда 
на блоке Г1 и гнездо «ВХ. 2» второго канала на блоке ЭК. На экране появится синусоидальное колебание по второму каналу. Регулятором «УСИЛ» 2-го канала установить размах синусоиды 3 клетки;
6.14 Определить цену деления по вертикали второго канала. Записать цену деления и зарисовать изображение в отчет;
|
6.15 Штекер, включенный в гнездо на блоке Г1, переключить в гнездо 
изображение на втором канале превратится в импульсы прямоугольной формы, а на первом останется неизменным;
6.16 Регуляторы «ПОДСТРОЙКА 1» и «ПОДСТРОЙКА 2» на блоке Г2 повернуть до отказа против часовой стрелки. На блоке Г2 переключатель «ПФ» перевести в положение 
. Убедиться, что с помощью регулятора «ПОДСТРОЙКА 2»можно изменить форму сигнала от треугольной до пилообразной(размах напряжения уменьшается). Зарисовать изображение пилообразной формы с наименьшим размахом в отчет;
6.17 Переключить «КАНАЛ» на ЭК из среднего положения перевести в левое положение «1». На экране останется только изображение первого канала. Регулятором «РАСХОЖДЕНИЕ» установить изображение в средней части экрана. Зарисовать изображение в отчет;
6.18 Переключить «КАНАЛ» на ЭК перевести из левого положения «1» в правое положение «2». На экране появится изображение только второго канала. Зарисовать это изображение в отчет;
6.19 Переключатель «КАНАЛ» перевести в левое положение «1»;
На экране осциллографа получить сигналы различной длительности. Для этого:
6.20 На блоке Г2 переключить «ПФ» перевести в следующее положение 
. С помощью регулятора «ПОДСТРОЙКА 2» установить длительность импульса в 2,4,8 раз короче периода. Зарисовать это изображение в отчет. Регуляторы «ПОДСТРОЙКА 1» и «ПОДСТРОЙКА 2» на блоке Г2 повернуть до отказа против часовой стрелки;
6.21 На блоке Г2 переключатель «ПФ» перевести в положение 
. С помощью регуляторов «ПОДСТРОЙКА 1» и «ПОДСТРОЙКА 2» убедиться, что кривая синусоидальной формы превращается в кривую трапециидальной формы. Зарисовать это изображение в отчет. Регуляторы «ПОДСТРОЙКА 1» и «ПОДСТРОЙКА 2» повернуть до отказа против часовой стрелки;
На экране осциллографа получить кривые одно- и двухполупериодного выпрямления. Для этого:
6.22 Переключатель «ПФ» перевести в положение 
С помощью регулятора «ПОДСТРОЙКА 2» изменить форму сигнала от однополупериодной до двухполупериодной. Зарисовать это изображение в отчет. Регуляторы «ПОДСТРОЙКА 1» и «ПОДСТРОЙКА 2» повернуть до отказа против часовой стрелки;
6.23 Переключатель «ПФ» перевести в положение 
. Проделать аналогичные операции (п. 6.22) и зарисовать изображение в отчет;
6.24 Переключатель «ПФ» перевести в положение 
Изменить форму сигнала регуляторами «ПОДСТРОЙКА 2» «ПОДСТРОЙКА 1». Зарисовать изображение в отчет. Регуляторы «ПОДСТРОЙКА 1» и «ПОДСТРОЙКА 2» повернуть до отказа против часовой стрелки;
6.25 Переключатель «КАНАЛ» ЭК установить в среднее положение. Регуляторами «РАСХОЖДЕНИЕ», «↔», «↕» установить наилучшее изображение; регулятором «РАЗВЕРТКА» установить два или три периода сигналов. Зарисовать изображения в отчет.
|
|
Самостоятельно и поочередно изменять положения регуляторов и переключателей. Запомнить назначение регуляторов.
6.26 По окончании работы установить регуляторы и переключатели в следующие позиции:
- на блоке Г1 тумблер «ГЕНЕРАТОР»-«ВНУТР»;
- на блоке Г2: переключатель «ПФ» в положение 3 
2кГц, регуляторы «ПОДСТРОЙКА» до отказа против часовой стрелки;
- на блоке ЭК «ВХОД ПЕРВОГО СИГНАЛА» в положение «ВНУТР»;
- тумблеры «ОСЛАБЛЕНИЕ»-«1:10»;
- тумблер «ВХОД Х»-«ВНУТР».
Контрольные вопросы
7.1 Нарисовать кривые пяти переменных напряжений, изменяющихся по различным законам.
7.2 Что такое скважность сигналов?
7.3 Как рассчитывать действующее значение напряжения (тока, ЭДС) сигналов прямоугольной формы с различными скважностями?
8 Приложение:
8.1 Стенд работает как от внутреннего, так и от внешнего генератора. Обеспечивает на выходе сигналы следующих форм:
- гармонической с переменной частотой от 20 Гц до 20 кГц с возможностью расширения до 200 кГц;
- прямоугольной с периодами от 50 мс до 5мкс;
- треугольной с плавным изменением до пилообразного при Т=500 мкс;
- прямоугольной с переменной скважностью от 2 до 20;
- гармонической с одно- и двусторонним ограничениями на 25% в каждую сторону;
- однополупериодной с плавным изменением до двухполуперодной;
- коротких односторонних с плавным перемещением страдательных импульсов от 0 до 0,45 Т;
- коротких односторонних;
- радиоимпульсов с заполнением в диапазоне от 2 до 20 кГц;
- большого количества сигналов, синтезированных из частот первой, второй и третьей гармоник при плавной регулировке амплитуд и начальных фаз каждой;
- сигналы сложных форм, синтезированные из более чем трех составляющих.
8.2 На экране осциллографа можно наблюдать одновременно два временных или временное и спектральное изображение.
8.3 Электронный вольтметр имеет пределы (0,1-1-10-100)В, с автоматическим их переключением.
8.4 Электронный фазометр обеспечивает отсчет фазных углов при гармоническом воздействии от +90° до – 900.
8.5 Аппаратура позволяет производить эксперименты в режимах источника напряжения н источника тока.
Активные элементы позволяют исследовать устройство с цепями обратной связи, сумматором, гиратором, электронными избирательными цепями, линиями с распределенными параметрами, вольтамперными характеристиками с положительными и отрицательными сопротивлениями и т.д
9 Содержание отчета:
9.1 Наименование работы;
9.2 Цель работы;
|
9.3 Схематичный внешний вид стенда с наименованием блоков.
Рисунок 1.1 – Лабораторный стенд ЛКТЦ
6 Лабораторная работа №2
«Исследование источников»
1 Цель работы: изучить нагрузочные характеристики источников, ознакомиться с зависимыми источниками
2 Домашнее задание:
2.1 Изучить нагрузочные характеристики источников.
2.2 Подготовить бланк отчета.
2.3Подготовить ответы на вопросы для самопроверки.
2.4 Сделать предварительный расчет: рассчитать ток (I), напряжение на зажимах источника (U) и КПД (η).
Известно, что в цепи с ЭДС (величину ЭДС смотреть по номеру в журнале в вольтах) Ri = 320 Ом; сопротивление потребителя R = 0, 80, 160, 320, 640, 1280, 5120, ∞ Ом.
Данные расчета занести в таблицу 2.1. По данным построить графики зависимости η= f(R). При построении кривых наибольшее значение всех величин отложить по вертикали на одной высоте.
Таблица 2.1 - Расчетные данные
| RM, Ом | I, A | U, В | η, % |
| ∞ |
3 Литература:
3.1 Агасьян, М. В. Электротехника и электрические измерения / М. В. Агасьян Е. А. Орлов. - М.: - Радио и связь, 1983.
3.2 Добротворский, И. Н. Теория электрических цепей. М.: Радио и связь, 1989.
4 Краткие теоретические сведения:
Источники питания делятся на источники напряжения и источники тока. Источником напряжения называется источник, ЭДС которого не зависит от величины нагрузочного сопротивления, подключенного к данному источнику. Если внутреннее сопротивление источника Ri пренебрежительно мало, то такой источник является идеальным; а если конечно, то реальным.
Источником тока называется источник, ток которого не зависит от величины внешнего сопротивления. У идеального источника тока внутренняя проводимость Gравна нулю, а идеального - больше нуля.
На рисунке 2.1а показано схематическое изображение источника напряжения, а на рисунке 2.1б — источник тока. Каждый из этих источников может быть независимым и зависимым (управляемым).
Рисунок 2.1 — Условно-графическое изображение источников
В работе исследуется независимый источник напряжения (рисунок 2.1). Каждый источник напряжения характеризуется ЭДС Еи внутренним сопротивлением Ri. Физические явления, происходящие в цепи (рисунок 2.1), при подаче энергии к нагрузочному сопротивлению R, величина которого меняется от нуля до бесконечности, характеризуется законом Ома.
Ток в цепи: 
. При режиме короткого замыкания R=0; 
.
При согласованном режиме (R=Ri,) ток в цепи 
, а при холостом ходе (R =∞)ток I= 0.
Напряжение на нагрузке 
Мощность источника Рu = EI
Мощность в нагрузочном сопротивлении Рн =UI = I2R.
Мощность, рассеиваемая на внутреннем сопротивлении источника Ро =Рu-РH или Ро= I2Ri,
КПД 
Характер нагрузочных графиков зависимостей приведен на рисунке 2.2.
Рисунок 2.2 - Графики нагрузочных характеристик
5 Вопросы самопроверки для доступа к выполнению лабораторной работы:
5.1 Дайте определение источника напряжения.
5.2 Дайте определение источника тока.
5.3 Дайте схематичное изображение источников напряжения и тока.
5.4 Дайте определение зависимого и независимого источников.
5.5 Дайте схематичное изображение зависимого источника ИНУТ.
5.6 На какую величину отличается ЭДС источника от напряжения на его зажимах?
5.7 Дайте определение режимов холостого хода, короткого замыкания и согласованного режима.
5.8 Запишите закон Ома для замкнутого контура.
5.9 Как измерить ЭДС источника?
5.10 Запишите формулу для расчета КПД.
6 Порядок выполнения работы:
1Проверка подготовки студентов к лабораторной работе по вопросам для самопроверки.
2 Подготовка лабораторной установки к работе, получение инструктажа по технике безопасности.
2.1 Ознакомление с элементами, из которых собираются исследуемые цепи (рисунки 2.3, 2.4): генератором на блоке ГЗ, вольтметрами V2 и VЗ, источником напряжения Е1, источником тока (I), магазином сопротивлений (RM), регулятором Е- VAR, переключателем П1 («незав.», «завис.»).
2.2 Для работы источника Е1, необходимо подать питание на плату активных элементов. Для этого надо соединить гнезда «ВЫХОД» на блоке ГЗ с гнездами «ОТ ГЕНЕРАТОРА», находящимися в верхней части блока активных элементов (верхнее гнездо генератора с верхним гнездом «ОТ ГЕНЕРАТОРА», а нижнее соответственно с нижним). Регулятор выходного напряжения на блоке ГЗ повернуть до упора против часовой стрелки.
2.3 Собрать электрическую цепь по схеме (рисунок 2.3). В качестве источника взять источник напряжения E1, в качестве нагрузочного сопротивления - магазин Rм. Rш2 включается в цепь для расчета 
. Пригласить преподавателя проверить собранную цепь.
Рисунок 2.3 - Схема для исследования источника напряжения
2.4 Включить на блоке питания стенда тумблеры «СЕТЬ», «ГЕНЕРАТОР», V2, VЗ. Установить на блоке Г2 переключатель формы в третью позицию по часовой стрелке, что соответствует гармоническому сигналу (
).
2.5 Указатель пределов PV1, PV2 поставить в позицию 10 В.
3 Изучение нагрузочных характеристик источника. Для этого:
3.1 Регулятор выходного напряжения на блоке ГЗ установить в положение наибольшего напряжения, т.е. повернуть до отказа по часовой стрелке.
3.2 Проверить работу регулятора (Е=VAR) и убедится, что поворотом регулятора можно изменять выходное напряжение в широких пределах. Установить регулятор в положение наибольшего напряжения по вольтметру VЗ (RM=2560 Ом).
3.3 Измерить ЭДС E1. Для этого отключить магазин RM от клеммы источника. Показание вольтметра VЗ в режиме холостого хода равно ЭДС источника. Снова подключить RM.
3.4 Изменяя сопротивление магазина, добиться согласованного режима работы. Этот режим получается, когда показания VЗ равны половине найденного значения ЭДС 
. В этом случае внешнее сопротивление (RM) будет равно внутреннему сопротивлению Ri: Rм=Ri,. Полученное значение Е и Rt занести в таблицу 2.2.
Таблица 2.2 - Опытные и расчетные данные при исследовании источника напряжения
| Задано | Из опыта | Вычисления | |||||||
| Е=;Ri= | Imax Pmax= | ||||||||
| Rм, Ом | 
| U3, B | U2, мB | , мА
| 
| 
| Р, мВт | 
| Η |
3.5 Установить на магазине RM величины сопротивлений, в соответствии с заданными в таблице 2.2. Результаты измерений U2 и U3 занести в таблицу 2.2. Сделать вычисления.
4 Исследовать независимый источник тока (IК) и источник тока, управляемый напряжением (ИТУН).Для этого:
4.1 Собрать цепь по схеме рисунка 2.4. Провода к гнездам «ОТ ГЕНЕРАТОРА» с выхода блока ГЗ оставить включенными. Резистор Rш2 выбрать 100 Ом. Вольтметр VЗ оставить подключенным к источнику напряжения E1. Переключатель П1 («незав.», «завис») установить в положение «НЕЗАВ.». При этом ток источника не будет зависеть от напряжения на зажимах источника Е1.
Рисунок 2.4 - Схема для исследования источника тока
4.2 Установить на магазине RM сопротивление 1280 Ом. Регулятором E-VAR изменять напряжение на зажимах источника Е1. Убедиться, что падение напряжения на шунтовом сопротивлении Rш3, а, следовательно, и ток в цепи (I=U2/Rш3) остается при этом неизменным. Изменяя сопротивление RM от нуля до максимального записать показания прибора V2 в таблицу 2.3. Рассчитать ток в цепи по формуле 
.
Таблица 2.3 — Опытные и расчетные данные при исследовании источника тока.
| При Rш3=100 Ом | |||
| Из опыта | Вычисление | ||
| Rм, Ом | U2, мB | U3, B | I, мА |
4.3 Установить RM в произвольное положение, переключатель П1 перевести в положение «ЗАВИС», при этом источник тока (Iк) становится зависимым от напряжения на зажимах источника напряжения Е1. Регулятором E-VAR изменять показания V3, убедиться, что ток (Iк) при этом также изменяется. Записать показания вольтметров V2 и V3 при U3= U3max и U3= 0,5U3max в таблицу 2.4.
Таблица 2.4 - Опытные и расчетные данные при исследовании зависимого источника
| Из опыта | Вычисление | ||||
| U2, мB | U3, B | Iк, А | γ, Ом | Rупр, кОм | |
| при U3max | |||||
| при 0,5U3max |
4.4 Рассчитать ток по формуле: 
, управляющую проводимость - 
и управляющее сопротивление - 
5 По результатам обработки результатов построить зависимости , , .При построении кривых отношение откладывать по горизонтали в масштабе, при котором одинаковый линейный отрезок соответствует удваивающейся величине
6 Сделать выводы по работе.
7 Ответить на контрольные вопросы.
7 Вопросы самопроверки для защиты лабораторной работы:
7.1Как на практике получить источник тока?
7.2Как опытным путем получить значение Ri?
7.3Чему равно напряжение на зажимах источника в согласованном режиме?
7.4Как изменяется напряжение на зажимах источника при увеличении сопротивления нагрузки?
7.5Как на практике получить режим холостого хода, короткого замыкания и согласованный режим?
7.6Запишите формулы для расчета мощностей источника, нагрузки и потерь внутри источника.
7.7Дано Е=20 В, U=18 В, I= 2 А. Найти внутренне сопротивление источника Ri.
7.8При каком условии отдача мощности во внешнюю цепь будет максимальной?
7.9Чему равен КПД источника в согласованном режиме?
7.10Является ли экономически выгодным согласованный режим работы?
8 Содержание отчета:
8.1 Наименование и цель работы.
8.2 Результаты расчета (таблица 2.1).
8.3 График зависимости η=F(R)
8.4 Схемы исследований (рисунки 2.3,2.4).
8.5 Заполнить таблицы 2.2, 2.3 и 2.4.
8.6 Рассчитать зависимости , , ..
8.7 Выводы по работе.
8.8 Ответы на контрольные вопросы.
7 Лабораторная работа №3
«Исследование делителей напряжения»
1 Цель работы: Изучить характеристики резистивных делителей напряжения при различных нагрузках. Научиться измерять коэффициент передачи 4-х полюсника с помощью электроннолучевого осциллографа. Снять внешние характеристики источника напряжения Е1
2 Задание:
2.1 Измерить коэффициент передачи ступенчатого делителя напряжения.
2.2Получить зависимость коэффициента передачи плавного делителя напряжения при двух значениях нагрузочных сопротивлений (RM=∞ и RM=0,1R) 640Om.
3 Литература:: Евдокимов Ф.Е. Теоретические основы электроники. М.. Высшая школа, 1981, изд. 5.
4 Краткие пояснения:
4.1 Делитель напряжения с плавной регулировкой.
Рисунок 3.1 - Делитель напряжения с плавной регулировкой.
Четырехполюсник коэффициент передачи которою меньше 1 называется делителем напряжения. Делитель напряжения имеет три точки: входную (точка А), выходную(точка Д) и общую (точка В).
Входное напряжение подводят между точками АВ, при этом по резистору R протекает ток, создающий на нем падение напряжения. Выходное напряжение U2 снимается с той части резистора, которая заключена между движком и общей частью делителя, т. е. с сопротивления R1. Чем меньше R1, т. е. чем ниже установлен движок, тем меньше напряжение на выходе делителя и наоборот. Если движок находится в нижнем положении, то сопротивление между движком и нижней точкой, а также выходное напряжение U2 и коэффициент передачи К равны нулю. Если движок установлен в верхнее положение, U2=U1, K=l. В делителях напряжения, собранных по схеме рисунка 3.1, коэффициент передачи может плавно изменяться от 0 до 1. В реальных устройствах к выходным зажимам делителя подключают резистор. Сопротивление этого резистора является входным сопротивлением нагрузочного устройства, на вход которого подается напряжение, снимаемое с делителя. Если четырехполюсник представляет делитель напряжения с плавной регулировкой, работающей в режиме холостого хода (рисунок 1), то входное сопротивление Rвх=R=const, Rвых=Rl, коэффициент передачи K=R1/R.
4.2 Режимы электрических цепей.
 |
Режим работы электрической цепи, т. е. ее электрическое состояние, определяется величинами токов, напряжений и мощностей ее отдельных элементов. Наиболее характерные режимы электрических цепей рассмотрим на примере простейшей цепи с переменным сопротивлением приемника электрической энергии (рисунок 3.2).
Рисунок 3.2 -Схема цепи с переменным сопротивлением приемника энергии.
4.3 Номинальный режим.
Источники и приемники электрической энергии, провода, а также вспомогательные аппараты и приборы характеризуются номинальными величинами тока IH, напряжения Uh, мощности РН, на которые эти устройства рассчитаны заводами изготовителями для нормальной работы.
Номинальные величины обычно указываются в паспорте устройства. Режим работы, при котором действительные токи, напряжения, мощности элементов электрической цепи соответствуют их номинальным величинам, называется номинальным (нормальным). Отклонения от номинального режима нежелательны, а превышение номинальных величин в большинстве случаев недопустимо, так как при этом не могут быть гарантированы расчетные продолжительность и экономичность работы электрических устройств и установок.
Для обеспечения нормальных условий работы приемников электрической энергии необходимо соблюдать соответствие напряжений: действительное напряжение на зажимах устройства должно быть равно его номинальному напряжению.
4.4 Режим холостого хода.
Режим электрической цепи, при котором сопротивление равно бесконечности, а значит ток равен нулю, называется режимом холостого хода. Этот случай соответствует размыканию цепи. При холостом ходе напряжение на зажимах источника равно его ЭДС, т. к.
1 Ux.x=E-Ix.xRi=E-0=E;
2 КПД цепи в режиме холостого хода равно 1
3 
4.5 Режим короткого замыкания.
При сопротивлении равном нулю ток в цепи 
, а напряжение на зажимах приемника равно нулю. Режим в электрической цепи, при котором накоротко замкнут участок, в связи с чем напряжение на этом участке равно нулю, называется режимом короткого замыкания. В режиме короткого замыкания мощность Рк.з.=0 и η к.з.=0.
4.6 Согласованный режим.
Согласованный режим это такой режим электрической цепи, при котором сопротивление нагрузки равно внутреннему сопротивлению источника. При согласованном режиме на нагрузке получаем наибольшую мощность, возможную для данного источника. КПД цепи при этом 50 %. Для согласованного режима справедливы следующие формулы:
P=I2R=I2Ri(т.к. R=Ri)
(3.1)
(3.2)
Напряжение на нагрузке: 
(3.3)
Ток в нагрузке: 
(3.4)
КПД: η=0,5 (3.5)
5. Вопросы самопроверки для доступа к выполнению лабораторной работы.
5.1 Какие цепи называются четырехполюсными?
5.2 Какое сопротивление в четырехполюснике является входным и какое выходным?
5.3 Что называется коэффициентом передачи четырехполюсника по напряжению?
6. Порядок выполнения работы:
6.1 Собрать электрическую цепь по схеме рис. 3.3
Рисунок 3.3 – Экспериментальная схема делителя напряжения
6.2. Переключатель формы сигналов установить в позицию 3. 
2 кГц. На магазине RМ установить сопротивление 640 Ом. Входной конец измерительных приборов переключить к т. А. При этом вольтметр покажет действующее напряжение на входе делителя. Размах изображения на экране осциллографа будет пропорционален величине V1. Установить входное напряжение 1B. Регулятором осциллографа добиться, чтобы на экране укладывалось один-два периода синусоиды, а размах изображения занимал большую часть экрана и целое число клеток.
6.3 Входной вывод приборов отключить от т. А и подключить к т.Д. При этом будет изменяться выходное наполнение 4-полюсника Так как в данном эксперименте RB=500 Ом, то
вследствие чего размах изображения на осциллографе и показания вольтметра должны уменьшиться и составить 0,56 от предыдущего. Занести в таблицу 2.1 показания вольтметра и количество клеток, занимаемых изображением по вертикали.
Таблица 3.1 – Опытные и расчетные данные при RB=500 Ом и U=1 B
| RM | U3 | Размах на осциллограмме | К |
6.4. Изменяя RM от 40 до 5120 Ом, записать показания вольтметра и количество клеток на экране осциллографа в табл. 3.1.
По результатам измерений рассчитать коэффициент передачи делителя напряжения.
Собрать электрическую цепь по схеме рис. 3.4
 |
Рисунок 3.4 – Экспериментальная схема для снятия внешних характеристик источника
7.1. Переключатель формы сигналов на Г2 установить в позицию 3 2кГц.
7.2 Регулятор E1 установить в крайнее, по часовой стрелке, положение, на магазине RM установить сопротивление 5120 Ом.
7.3 Включить стенд и блоки "Генератор", "Вольтметр","плата элементов".
7.4 Регулятором выходного напряжения на блоке генератора "ГЗ" установить напряжение 2 В и поддерживать его постоянным при всех экспериментах.
7.5 Изменяя сопротивление RМ от 5120 Ом до 10 Ом, показания вольтметра записать в таблицу 3.2
Таблица 3.2 – Опытные и расчетные данные
| RM, Ом | U2, B | I, A | P,Вт | η, % |
7.6. Используя опытные данные и расчетные величины, построить графики:
U2=f(RM); I=f(RM); η=f(RM)
8. Вопросы самопроверки для защиты лабораторной работы:
8.1. Какое сопротивление в 4-хполюснике является входным и какое выходным?
8.2. Что называется коэффициентом передачи 4-хполюсника по напряжению?
8.3 Что понимается под режимом электрической цепи?
8.4 Какие бывают режимы работы электрической цепи?
8.5. Какой режим работы называется согласованным? Его основные характеристики, где он применяется?
8.6. Как получить режим работы электрической цепи с высоким КПД. Его основные характеристики, где он применяется?
9 Содержание отчета:
9.1.Наименование работы.
9.2.Цель работы.
9.3. Задание.
9.4.Электрические схемы.
9.5.Графики зависимостей.
9.6.Ответы на контрольные вопросы.
8 Лабораторная работа №4
«Исследование активных цепей»
1 Цель работы:: Изучить входные и передаточные свойства активных резистивных цепей, содержащих операционный усилитель
2 Литература: Добротворский И.Н. Теория электрических цепей. - М.: Радио и связь, 1989.-е. 109-118.
3 Задание:
3.1 Наблюдать, объяснить, зарисовать форму кривых выходного напряжения при различных режимах.
3.2 Рассчитать сопротивление R2.
3.3 Рассчитать коэффициент передачи активного 4-хполюсника с ОС при различных значениях Rm
4 Краткие пояснения:
4.1 Операционный усилитель
Цепи, содержащие элементы, с помощью которых можно усиливать мощность, называются активными. В качестве активного элемента широко используют операционные усилители (сокращенно ОУ), т.е. элементы, выполненные в микроэлектронном виде и обладающие большим коэффициентом усиления - порядка десятков тысяч раз.
Идеальный операционный усилитель ОУ - это некоторый функциональный блок, выполненный в едином технологическом цикле.
Идеальный ОУ является идеальным преобразователем мощности (управляемым источником) типа ИНУН с µ=µ0→ ∞.
Реальный ОУ представляет собоймногокаскадный транзисторный усилитель, выполненный в виде интегрального блока, у которого коэффициент усиления имеет значение порядка µ0=105 и практически выполняются требования, предъявляемые к выходному и входному сопротивлениям ИНУН.
Количество транзисторов в ОУ от 19 до 25. Точно коэффициент усиления ОУ никогда неизвестен, но знать его нет никакой необходимости, что будет видно из последующего материала.
ОУ условно показывается (рис. 4.1):
 |
Рисунок 4.1 – Условное обозначение операционного усилителя
ОУ имеет два входа: прямой (положительный (+)) и инверсный (отрицательный (-)) выходной режим.
Пунктиром показаны цепи питания. Самые распространенные питания ±15 В. В общем случае при подведении входных напряжений к обоим входам ОУ выходное напряжение будет определяться (4.1):
(4.1)
Имеются конструкции ОУ с несколькими входами. Для них в выражение (4.1) надо подставить сумму всех входных напряжений, т.е. они могут быть сумматорами напряжений.
Эквивалентная схема ОУ для прямого входа будет иметь вид (см. рисунок 4.2).
 |
Рисунок 4.2 - Эквивалентная схема ОУ для прямого входа.
Она соответствует определению ОУ как ИНУН с μ0=μ→∞. В этой схеме входные и выходные напряжения совпадают по фазе.
Для инверсного входа в эквивалентной схеме меняются либо направление ЭДС, либо знак μ0. Это обеспечивает инверсию выходного напряжения, т.е. изменение его на угол π.
Так как работа ОУ сводится к тому, что питающее напряжение изменяется по закону входного напряжения, следовательно нельзя на выходе ОУ получить напряжение, превышающее напряжение источника питания.
U2= μU1 (4.2)
откуда
Важнейшим обстоятельством является то, что вследствие весьма большого коэффициента усиления μ и напряжение на выходе, достигает своего максимального значения (10 - 20 В), при весьма малых напряжениях на входе. Действительно, если 
, то получаются единицы милливольт, поэтому во всех эквивалентных схемах напряжение U1 полагают равным нулю.
Во всех теоретических расчетах коэффициент усиления μ. принимают за ∞, а напряжение и ток на входе за близкие к нулевому.
μ ≈ ∞; U1≈0
Померить входное напряжение U1 ОУ практически ничем нельзя. Все соотношения, которые будут выводиться для ОУ справедливы до тех пор и в таких пределах, при которых выходное напряжение U2 меньше или равняется Uпит.
μU1≤Uпит
Если величина μU1становится больше Uпит, то появляются искажения, что является признаком того, что входное напряжение и входной ток перестают быть величинами близкими к нулю, и ОУ перестает подчиняться теории для него справедливой.
Рисунок 4.3 – Графики напряжения на выходе ОУ.
4.2 Граничная частота ОУ.
Каждый ОУ, как любая пассивная и активная цепь имеет граничную частоту fгр.
Под граничной частотой понимается частота, на которой коэффициент передачи по напряжению составляет 0,707 от максимального коэффициента передачи.
У ОУ 140 УД 8 fгр=1 МГц
более современными аналогами являются
544 УД 1 fгр=1 МГц
На практике их можно использовать на частотах в два раза меньше граничной:
544 УД 2 fгр=15 МГц
574 УД 1 fгр=15 МГц
4.3 Цепи обратной связи.
Большинство электронных схем, используемых в связи, охватываются так называемой обратной связью (ОС).
Обратной связью называют подачу на вход усилителя некоторой части сигнала с его выхода.
Рисунок 4.4 - Структурная схема ОУ с цепью ООС
Обычно для этого используются специальные цепи - цепи ОС.
Способ соединения основной цепи и цепи с ОС может быть различен.
Введением ОС можно в широких пределах изменять коэффициент усиления, выходные функции цепи (передаточную характеристику), входные характеристики (сопротивление) и ряд других качественных характеристик.
Различают два вида ОC: отрицательную и положительную.
ОС называется отрицательной (ООС), если напряжение Uoc оказывается противофазным напряжению U1, т.е напряжение U1ос уменьшается. ООС уменьшает коэффициент усиления, но повышает устойчивость и уменьшает шумы, повышает стабильность.
Если цепь ОС построена таким образом, что напряжение U1ос совпадает по фазе с напряжением U1, что вызывает увеличение напряжения U1ос, то ОС называется
