Задание 1.3.3. Сравнение результатов исследований п. 1.3.1 и п. 1.3.2
Кафедра « Измерительно-вычислительные комплексы »
Дисциплина «Схемотехника»
Лабораторная работа № 1
Вариант: 13
Исследование электрических цепей на постоянном токе
Выполнил:
Студент группы ИСТбд-31
Силантьев А. Р
Проверил:
Ефимов И. П
Ульяновск
2020
Цель: знакомство с простейшими резистивными электрическими цепями; изучение законов Ома и Кирхгофа для цепей постоянного тока; исследование резистивных электрических цепей на постоянном токе.
Кратка теоретическая справка:
Согласно представлениям современной физики, вся материя состоит из атомов. Данное слово происходит от древнегреческого слова «неразрезанный». В русскоязычной литературе слово «атом» часто соотносят со значением «неделимый». Атомы состоят из ядра и вращающихся вокруг него электронов. Электроны имеют отрицательный заряд, ядро атома —положительный заряд. Если в точке A (рис. 1.1) наблюдается избыток электронов в сравнении с точкой B, то между точками A и B существует разность потенциалов (напряжение).
Напряжение U = 
− 
, где 
и — потенциалы точек A и B соответственно. Электроны из точки A перетекают в точку B. Этот поток электронов называется электрическим током I. За направление тока принято направление, противоположное направлению движения электронов (рис. 1.1). Элемент R (рис. 1.1) называется резистором. Он оказывает сопротивление электрическому току. Напряжение U измеряется в вольтах [B], ток I —в амперах [A], сопротивление R –в омах [Ом].
|
|
|
Согласно Закону Ома, сила тока в электрической цепи определяется в соответствии с выражением: 
На рис. 1.1 представлена очень простая электрическая цепь. Для анализа сложных цепей дополнительно используют Законы Кирхгофа для токов и напряжений. Закон Кирхгофа для токов гласит: сумма токов, втекающих в узел цепи равна сумме токов, вытекающих из узла (рис. 1.2).
Токи 
, 
—втекают в узел A, ток 
—вытекает из узла A. Согласно Закону Кирхгофа, 
= + 
. Закон Кирхгофа для напряжений гласит: сумма напряжений в замкнутом контуре равна нулю (рис. 1.3).
Для выбранного положительного направления обхода контура (рис.1.3): 𝐸− 
− 
=0Тогда, 𝐸= + . Можно принять и обратное положительное направление, тогда: + −𝐸=0 и, следовательно, + =𝐸.
Если резисторы соединены последовательно, то их эквивалентное сопротивление равно сумме сопротивлений всех последовательно соединенных резисторов:
где n — число резисторов, соединенных последовательно. Так, для цепи (рис. 1.3) общее (эквивалентное) сопротивление 
= 
+ 
.Для параллельно соединенных резисторов справедливо выражение:
|
|
|
Любая электрическая цепь включает в себя один или несколько источников электрической энергии. Такими источниками являются источники напряжения и источники тока. На рассмотренных ранее схемах присутствовали идеальные источники напряжения с нулевым значением внутреннего сопротивления 
= 0. У реального источника напряжения
>0 (рис. 1.8).
При 
=0, 
=𝐸(режим холостого хода). В рабочем режиме 
=𝐸− * . Чем меньше , тем ближе схема к идеальному источнику напряжения. Задача источника напряжения заключается в обеспечении требуемого напряжения на нагрузке. В схеме напряжение 𝐸разделяется на две части: 𝐸= + = * + .
Для схемы (рис. 1.8) должно выполняться условие: ≪ 
. В противном случае схему следует рассматривать как источник тока. То есть источник тока можно получить из источника напряжения увеличив значение .
В источнике тока происходит разделение тока (рис. 1.9):
В схеме (рис. 1.9) 
–внутренняя проводимость источника тока, 
–проводимость нагрузки. Для идеального источника тока = 0 (рис.1.9) или = ∞ (рис. 1.8).
Общий вывод по работе: при выполнении работы были освоены принципы работы в программе Micro-Cap, а именно: построение основных элементов цепи, вычисления основных элементов цепи, используя средство Dynamic DC для проверки с вычисленными значениями. Также были изучены основные законы для вычисления силы тока и напряжения элементов цепи, а именно, законы Кирхгофа и закон Ома, изучены принципы источников напряжения и тока в цепи.
|
|
|
Задание 1.3.1. Провести исследование цепи, представленной на рис.1.7
Источники напряжений 
и 
порождают токи противоположных направлений. Так как напряжение > , то результирующий ток протекает от минуса источника через к 
. Согласно Закону Кирхгофа для напряжений, результирующее значение напряжения в контуре равно
Согласно Закону Ома, сила тока в цепи:
Определим значение напряжения на резисторе .
Напряжение на резисторе равно:
Напряжение до плюса 
0.
Напряжение от минуса 
-9 В.
Напряжение от 
-9 В – 1,684 В = -10,684 В.
Напряжение 
-10,684 + 12 = 1,316 В.
Напряжение до плюса 
0.
Вывод: после проведения исследования вычисленные значения напряжения на каждом элементе примерно совпадает со значениями вычисленные в программе Micro-Cap.
|
|
|
Задание 1.3.2. Провести исследование цепи, представленной на рис. 1.10
Источники напряжений и порождают токи согласных направлений. Так как напряжение > , то результирующий ток протекает от земли через , и к минусу источника . Согласно Закону Кирхгофа для напряжений, результирующее значение напряжения в контуре равно
Согласно Закону Ома, сила тока в цепи:
Определим значение напряжения на резисторе :
Напряжение на резисторе равно:
Напряжение до плюса 0.
Напряжение от минуса -9 В.
Напряжение от -9 В + 11,76 В = 2,76 В.
Напряжение 2,76 - 12 = -9.24 В.
Напряжение до плюса 0.
Вывод: после проведения исследования вычисленные значения напряжения на каждом элементе примерно совпадает со значениями вычисленные в программе Micro-Cap.
Задание 1.3.3. Сравнение результатов исследований п. 1.3.1 и п. 1.3.2
В пунктах 1.3.1 и 1.3.2 выяснилось, что по данным цепям течет только один ток, оставалось лишь определять в каком направлении он течет. При этом было учтено эквивалентное значение E. В каждом пункте принцип нахождения эквивалентного значения E было примерно одинаково, учитывалось лишь направления 
.
Вывод: после проведения исследования в пунктах 1.3.1 и 1.3.2, были вычислены значения напряжения на каждом элементе, при этом значения примерно совпадают со значениями вычисленные в программе Micro-Cap.
Задание 1.3.4. Исследование цепи на рис. 1.11
Найдем эквивалентное сопротивление резисторов 
Найдем эквивалентное сопротивление резисторов 
Найдем эквивалентное сопротивление резисторов 
Найдем эквивалентное сопротивление резисторов 
Найдем эквивалентное сопротивление резисторов 
Найдем эквивалентное сопротивление резисторов 
Найдем эквивалентное сопротивление резисторов 
Найдем эквивалентное сопротивление резисторов 
Найдем эквивалентное сопротивление резисторов 
Найдем эквивалентное сопротивление резисторов 
Найдем эквивалентное сопротивление резисторов 
Найдем силу тока в цепи:
Найдем силу тока для ветви резисторов
Найдем напряжение на резисторе 
Найдем напряжение на резисторе 
По закону Кирхгофа:
20 – 11 – 9 = 0
Найдем напряжение на резисторе 
Найдем силу тока для ветви резисторов 
Найдем напряжение для ветви резисторов 
Найдем силу тока на резисторе 
Найдем силу тока на резисторе 
Найдем напряжение на резисторе 
Найдем напряжение на резисторе 
По закону Кирхгофа:
20 – 13 – 7 = 0
Найдем силу тока для ветви резисторов 
Найдем напряжение на резисторе 
Найдем напряжение на резисторе 
Найдем силу тока для ветви резисторов 
Найдем напряжение для ветви резисторов 
Найдем силу тока для ветви резисторов 
Найдем напряжение на резисторе 
Найдем напряжение на резисторе 
Найдем силу тока для ветви резисторов 
Найдем напряжение для ветви резисторов 
Найдем силу тока для резистора 
Найдем силу тока для ветви резисторов 
Найдем напряжение на резисторе 
Найдем напряжение на резисторе 
Вывод: исследовании цепи были изучены законы Кирхгофа, которые помогли вычислить напряжения на каждом из резисторов, а также значения токов в цепи. Результаты вычисления примерно совпадают с значениями вычисленные в программе Micro-Cap.
Задание 1.3.5. Подбор номинальных значений сопротивлений резисторов схемы ограничителя тока рис. 1.14
В схеме напряжение 𝐸 разделяется на две части:
Отсюда:
Пусть 
.
Тогда:
Выполним расчет тока нагрузки для полученных значений сопротивлений резисторов − 
:
Вывод: на данной схеме с ограничителем тока были подобраны номинальные значения резисторов, после чего было найдено искомое значение силы тока, примерно равное значению, вычисленному в программе Micro-Cap.
Задание 1.3.6. Исследование источника напряжения рис. 1.8
| Номер варианта | E, В | , Ом
| , Ом
|
| 13 | 15 | 1 | 75…500 |
Таблица 1.5 (Результаты исследования источника напряжения)
| № | 
|  , мА
|  , В
| 
|
| 1 | 75 | 197,368 | 14,803 | 1 |
| 2 | 100 | 148,515 | 14,851 | 1 |
| 3 | 125 | 119,048 | 14,881 | 1 |
| 4 | 150 | 99,338 | 14,901 | 1 |
| 5 | 175 | 85,227 | 14,915 | 1 |
| 6 | 200 | 74,627 | 14,925 | 1 |
| 7 | 225 | 66,372 | 14,934 | 1 |
| 8 | 250 | 59,761 | 14,94 | 1 |
| 9 | 275 | 54,348 | 14,946 | 1 |
| 10 | 300 | 49,834 | 14,95 | 1 |
| 11 | 325 | 46,012 | 14,954 | 1 |
| 12 | 350 | 42,735 | 14,957 | 1 |
| 13 | 375 | 39,834 | 14,96 | 1 |
| 14 | 400 | 37,406 | 14,963 | 1 |
| 15 | 425 | 35,211 | 14,965 | 1 |
| 16 | 450 | 33,259 | 14,967 | 1 |
| 17 | 475 | 31,513 | 14,968 | 1 |
| 18 | 500 | 29,94 | 14,97 | 1 |
График зависимости выходного напряжения от тока нагрузки = 𝜑( ):
При уменьшении 
на 50 %
| № |
|  , мА
| , В
|
|
| 1 | 75 | 198,765 | 14,901 | 0,5 |
| 2 | 100 | 149,254 | 14,925 | 0,5 |
| 3 | 125 | 119,522 | 14,94 | 0,5 |
| 4 | 150 | 99,668 | 14,95 | 0,5 |
| 5 | 175 | 85,47 | 14,957 | 0,5 |
| 6 | 200 | 74,813 | 14,963 | 0,5 |
| 7 | 225 | 66,519 | 14,967 | 0,5 |
| 8 | 250 | 59,88 | 14,97 | 0,5 |
| 9 | 275 | 54,446 | 14,973 | 0,5 |
| 10 | 300 | 49,937 | 14,975 | 0,5 |
| 11 | 325 | 46,083 | 14,977 | 0,5 |
| 12 | 350 | 42,796 | 14,979 | 0,5 |
| 13 | 375 | 39,975 | 14,98 | 0,5 |
| 14 | 400 | 37,453 | 14,981 | 0,5 |
| 15 | 425 | 35,253 | 14,982 | 0,5 |
| 16 | 450 | 33,296 | 14,983 | 0,5 |
| 17 | 475 | 31,546 | 14,984 | 0,5 |
| 18 | 500 | 29,97 | 14,985 | 0,5 |
При увеличении на 50 %
| № |
| , мА
| , В
|
|
| 1 | 75 | 196,078 | 14,706 | 1,5 |
| 2 | 100 | 147,783 | 14,778 | 1,5 |
| 3 | 125 | 118,577 | 14,822 | 1,5 |
| 4 | 150 | 99,01 | 14,851 | 1,5 |
| 5 | 175 | 84,986 | 14,873 | 1,5 |
| 6 | 200 | 74,442 | 14,888 | 1,5 |
| 7 | 225 | 66,225 | 14,901 | 1,5 |
| 8 | 250 | 59,642 | 14,911 | 1,5 |
| 9 | 275 | 54,25 | 14,919 | 1,5 |
| 10 | 300 | 49,751 | 14,925 | 1,5 |
| 11 | 325 | 45,942 | 14,931 | 1,5 |
| 12 | 350 | 42,674 | 14,936 | 1,5 |
| 13 | 375 | 39,841 | 14,94 | 1,5 |
| 14 | 400 | 37,36 | 14,944 | 1,5 |
| 15 | 425 | 35,37 | 14,947 | 1,5 |
| 16 | 450 | 33,223 | 14,95 | 1,5 |
| 17 | 475 | 31,48 | 14,953 | 1,5 |
| 18 | 500 | 29,91 | 14,955 | 1,5 |
Оценим по графику = 𝜑( ) значение тока короткого замыкания источника напряжения 
:
Пусть 
0 = 
Найдем экспериментальное значение тока короткого замыкания 
= 15 А
Как видно, экспериментальное значение совпадает с оценочным.
Графики зависимости = 𝜑( ) для разных :
Вывод: было проведено исследование источника тока, а также был построен график зависимости тока нагрузки от сопротивления нагрузки, по которому можно видеть вычисленные значения в зависимости от значения тока.
Задание 1.3.7. Исследование источника тока (рис.1.8)
| Номер варианта | E, В | , кОм
| , Ом
|
| 13 | 40 | 40 | 800…7500 |
Таблица 1.7 (Результаты исследования источника тока)
| № |
| , мкА
| 
|
| 1 | 800 | 980,392 | 40 |
| 2 | 1500 | 963,855 | 40 |
| 3 | 2500 | 941,176 | 40 |
| 4 | 3500 | 919,54 | 40 |
| 5 | 4500 | 898,876 | 40 |
| 6 | 5500 | 879,121 | 40 |
| 7 | 6500 | 860,215 | 40 |
| 8 | 7500 | 842,105 | 40 |
График зависимости тока нагрузки от сопротивления нагрузки = 𝜑( ):
При уменьшении на 50 %
| № | 
| , мкА
|
|
| 1 | 800 | 1923 | 20 |
| 2 | 1500 | 1860 | 20 |
| 3 | 2500 | 1778 | 20 |
| 4 | 3500 | 1702 | 20 |
| 5 | 4500 | 1633 | 20 |
| 6 | 5500 | 1569 | 20 |
| 7 | 6500 | 1509 | 20 |
| 8 | 7500 | 1455 | 20 |
При увеличении на 50 %
| № |
| , мкА
|
|
| 1 | 800 | 657,895 | 60 |
| 2 | 1500 | 650,407 | 60 |
| 3 | 2500 | 640 | 60 |
| 4 | 3500 | 629,921 | 60 |
| 5 | 4500 | 620,155 | 60 |
| 6 | 5500 | 610,687 | 60 |
| 7 | 6500 | 601,504 | 60 |
| 8 | 7500 | 592,593 | 60 |
Оценим по графику = 𝜑( ) значение тока короткого замыкания источника напряжения :
Пусть
0 =
Найдем экспериментальное значение тока короткого замыкания
= 1 мА.
Как видно, экспериментальное значение совпадает с оценочным.
Графики зависимости = 𝜑( ) для разных :
Вывод: было проведено исследование источника тока, а также был построен график зависимости тока нагрузки от сопротивления нагрузки, по которому можно видеть вычисленные значения в зависимости от значения тока.
Дата добавления: 2020-11-29; просмотров: 70; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!