Лабораторные работы по электротехнике и электронике

 
Лабораторные работы по электротехнике
Электрические цепи постоянного тока
ТРЕХФАЗНЫЕ ЦЕПИ
СОЕДИНЕНИЕ НАГРУЗКИ ТРЕУГОЛЬНИКОМ
ИССЛЕДОВАНИЕ НЕЛИНЕЙНЫХ ЦЕПЕЙ
ИССЛЕДОВАНИЕ КАТУШКИ
ИССЛЕДОВАНИЕ УТРОИТЕЛЯ ЧАСТОТЫ
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ
ИССЛЕДОВАНИЕ ЧЕТЫРЕХПОЛЮСНИКА
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ФИЛЬТРОВ
ЧАСТИЧНЫЕ ЕМКОСТИ В СИСТЕМЕ ПРОВОДНИКОВ
ИССЛЕДОВАНИЕ МАГНИТНОГО ПОЛЯ
Исследование характеристик источника
ИССЛЕДОВАНИЕ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ
ИССЛЕДОВАНИЕ ЯВЛЕНИЯ РЕЗОНАНСА
Исследование однофазного трансформатора
Исследование трехфазного асинхронного двигателя
Исследование синхронных микродвигателей
Исследование исполнительного двигателя постоянного тока
ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ
ИЗМЕРЕНИЕ МОЩНОСТИ
Резонанс токов
ПОВЫШЕНИЕ  КОЭФФИЦИЕНТА МОЩНОСТИ
КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ О ГЕНЕРАТОРАХ
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ХОЛОСТОГО ХОДА
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ
RLC элементы
Трансформатор
Катушка индуктивности
Квазистационарные процессы
Биполярные транзисторы
Каскады на биполярных транзисторах
Дифференциальный усилитель
Полевые транзисторы
Операционные усилители
Практические задания
ОПРЕДЕЛЕНИЕ СДВИГА ФАЗ

Электрические цепи постоянного тока

Цель работы

Определение выходного сопротивления источника питания; собрать схему делителя напряжения с рассчитанными параметрами схемы.

Приборы и материалы

ГСФ-2; вольтметр; магазины сопротивлений на модуле М1; соединительные провода.

Краткая теория работы 

В проводящей среде под действием эл. поля возникает упорядоченное движение эл. зарядов – эл. ток. Для возникновения и поддержания эл. тока в проводящей среде необходимы два обязательных условия:

наличие эл. поля, под действием сил которого эл. заряды получают направленное и упорядоченное движение;

наличие замкнутого пути для движения эл. зарядов.

Эл. поле в проводящей среде создаётся и поддерживается при помощи источников эл. энергии. Замкнутый путь, по которому проходит эл. ток, называется эл. цепью. Основными элементами эл. цепи являются:

источник эл. энергии;

потребитель эл. энергии;

соединительные провода.

Рисунок 1 – Простейшая электрическая цепь

Кроме того, в состав эл. цепей (рисунок 1) могут входить различные измерительные приборы, устройства, обеспечивающие замыкание цепей, предохранители и другие вспомогательные элементы.

Нагрузка R, обладающая определённым сопротивлением, является участком цепи. Значение тока на этом участке цепи зависит от действующего на нём напряжения и его сопротивления: чем больше напряжение и меньше сопротивление, тем большим ток будет идти по участку цепи. Эта зависимость тока от напряжения и сопротивления выражается следующей формулой:

,

где I – ток, А;

 U – напряжение, В;

 R – сопротивление, Ом.

Читается это выражение так: ток на участке цепи прямо пропорционален напряжению и обратно пропорционален его сопротивлению. Это основной закон электротехники, именуемый законом Ома, для участка цепи. Закон Ома справедлив не только для участка цепи, но и для всей эл. цепи. В этом случае в значение R подставляется суммарное сопротивление всех элементов цепи, в том числе и внутреннее сопротивление источника тока.

Добавочный резистор, включаемый в цепь последовательно с нагрузкой (рисунок 2) можно рассматривать как резистор, «гасящий» часть напряжения, действующего в цепи. Напряжение, которое гасится добавочным резистором или, как говорят, падает на нём, будет большим, чем больше сопротивление этого резистора. Таким образом, изменяя сопротивление, можно уменьшать или увеличивать напряжение, которое падает на добавочном резисторе, и таким образом регулировать ток в цепи.

Рисунок 2 – Регулирование тока в цепи с помощью резистора

Но добавочный резистор R в такой цепи может быть переменным, т.е. резистором, сопротивление которого можно изменять (рисунок 2). В этом случае с помощью движка резистора можно плавно изменять напряжение, подводимое к нагрузке, а значит, плавно регулировать ток, протекающий через эту нагрузку. Включённый таким образом переменный резистор называют реостатом.

Рисунок 3-Регулирование напряжения с помощью переменного резистора

Есть, однако, и другой способ подключения нагрузки к источнику тока с избыточным напряжением – тоже с помощью переменного резистора, но включённого с потенциометром, т.е. делителем напряжения, как показано на рисунке 3.

К параллельному соединению прибегают в тех случаях, когда надо ограничить ток не во всей цепи, как при последовательном включении добавочного резистора, а только в каком-то участке её. Добавочные резисторы подключают, например, параллельно к миллиамперметрам, чтобы ими можно было измерять большие токи. Такие резисторы называют шунтирующими или шунтами.

Описание аппаратуры

1. Генератор сигналов функциональный ГСФ-2 предназначен для постановки лабораторных работ по курсам «Электричество», «Волновые процессы», и др. в физическом практикуме вузов, колледжей, физико-математических лицеев и школ.

ГСФ-2 содержит 4 функциональных блока:

 -частотомер - таймер;

 -задающий генератор;

 -усилитель низкой частоты;

 -источник постоянного напряжения.

Эти блоки могут работать совместно или независимо друг от друга. Органы управления сгруппированы на передней панели ГСФ.

Технические данные

-диапазон частот для задающего генератора – 0,3Гц-1500кГц;

-диапазон частот для усилителя - 0-20Гц;

-выходные сигналы – гармонический, пилообразный, прямоугольный;

-выходное напряжение – 0-20В;

-максимальный ток нагрузки – 1А.

Рисунок 4-Панель управления ГСФ-2:

1. переключатель формы вырабатываемого сигнала;

2. гнездо выхода «ИПН»;

3. гнездо входа «ВХ2»;

4. регулятор «ИПН»;

5. переключатель вида выходного сигнала;

6. выход усилителя.

Вольтметр универсальный В7-58/2 предназначен для измерения:

 -постоянного напряжения;

 -среднего квадратического значения переменного напряжения;

 -сопротивления постоянному току;

 -силы постоянного тока;

 -среднего квадратического значения переменного тока.

Вольтметр представляет собой цифровой прибор, принцип действия которого основан на преобразовании измеряемой величины (напряжения, тока) в нормированное значение постоянного напряжения от 0 до 2 В с последующим его преобразованием в цифровой код с помощью однокристального аналого-цифрового преобразователя (АЦП), работающего по методу двойного интегрирования.

Рисунок 5 - Панель управления вольтметра В7-58/2:

 1.переключатель рода измеряемого напряжения и тока;

 2.переключатель режимов измерения;

 3.переключатель пределов измерения;

 4.гнездо для присоединения измерительного кабеля.

Преобразователь переменного напряжения представляет собой линейный преобразователь средних квадратических значений.

Измерение сопротивления осуществляется с помощью АЦП путём сравнения падения на измеряемом сопротивлении и на соединённом последовательно с ним резистора.

Измерение токов осуществляется путём преобразования измеряемых величин токов в напряжение при протекании их через образцовые сопротивления токов шунтов.

Управление осуществляется с помощью кнопочных переключателей, расположенных на передней панели:

Функциональное назначение переключателей:

 -переключатели режимов измерения «V», «mA», «кΩ»;

 -6 переключателей пределов измерения;

 -переключатель рода измеряемого напряжения и тока.

Для предохранения вольтметра от перегрузки по сети на задней панели вольтметра в корпусе сетевой вилки установлены плавкие вставки, для предотвращения вольтметра при случайных перегрузках в гнездо «mA» на передней панели вольтметра установлена плавкая вставка на номинальный ток 2А.

3. Модуль М1 «ЦЕПИ ПОСТОЯННОГО ТОКА» предназначен для сборки электрических схем постоянного тока и постановки лабораторных работ.

Модуль М1 включает следующие элементы:

 -R1-потенциометр;

 -R1-R17-магазины сопротивлений;

 -С1-С3-конденсаторы;

 -КД- диод кремниевый;

 -ГД- диод германиевый;

 -КТ- транзистор;

 -ЛН- лампа накаливания;

 -Е1-Е2- выхода питания +/- 12В;

 -Е3-Е6- выходы преобразователя питания;

 -ТМ- часы- таймер.

Рисунок 6 - Схема модуля М1-«ЦЕПИ ПОСТОЯННОГО ТОКА»

Порядок выполнения работы

Опыт № 1 

В генераторе ГСФ-2 (рисунок 4) отключите задающий генератор от усилителя, путём переключения тумблера 1 в среднее положение «0».

2. Сборка источника постоянного напряжения.

Подключите вольтметр (рисунок 5) с помощью соединительных проводов: выходы «ИПН» и «ОБЩ» к входам вольтметра «V» и «0» (входы 4 «max -1000V»);

Установить на вольтметре: переключатель 1 в отжатое положение; переключатель 2 в нажатое положение «V»; переключатель 3 в нажатое положение «20» (см. приложение);

С разрешения преподавателя подайте питание в схему.

Регулятором «ИПН» (регулятор 4) установите на выходе «ИПН» напряжение 5В;

Поочерёдно подключите параллельно к выходам «ИПН» и «ОБЩ» резисторы с сопротивлениями 10Ом, 30Ом и 100Ом, находящиеся на модуле №1 (рисунок 6).

Запишите показания по вольтметру. Результаты занесите в таблицу 1; разберите схему.

3. Сборка генератора напряжения.

3.1 Установите перемычку с «ВХ2» на «ИПН».

3.2 Подключите вольтметр (рисунок 5) с помощью соединительных проводов:  выходы «ВЫХ» и «ОБЩ» к входам вольтметра «V» и «0» (входы 4 «max -1000V»);

Установить на вольтметре: переключатель 1 в отжатое положение; переключатель 2 в нажатое положение «V»; переключатель 3 в нажатое положение «20» (см. приложение);

С разрешения преподавателя подайте питание в схему.

3.5 Тумблер 5 переключите в положение «20В» и регуляторами «ИПН», «АМПЛИТУДА» установите на выходе «ВЫХ» 5В.

Поочерёдно подключите параллельно к выходам «ИПН» и «ОБЩ» резисторы с сопротивлениями 10Ом, 30Ом и 100Ом, находящиеся на модуле №1 (рисунок 6).

Запишите показания по вольтметру. Результаты занесите в таблицу 1; разберите схему.

4. Сборка генератора тока.

4.1 Установите перемычку с «ВХ2» на «ИПН».

4.2 Подключите вольтметр (рисунок 5) с помощью соединительных проводов:  выходы «ВЫХ» и «ОБЩ» к входам вольтметра «V» и «0» (входы 4 «max -1000V»);

Установить на вольтметре: переключатель 1 в отжатое положение; переключатель 2 в нажатое положение «V»; переключатель 3 в нажатое положение «20» (см. приложение);

С разрешения преподавателя подайте питание в схему.

Тумблер 5 переключите в положение «1А» и регуляторами «ИПН», «АМПЛИТУДА» установите на выходе «ВЫХ» 5В.

Поочерёдно подключите параллельно к выходам «ИПН» и «ОБЩ» резисторы с сопротивлениями 3Ом, 10Ом, 30Ом, находящиеся на модуле №1 (рисунок 6).

Запишите показания по вольтметру. Результаты занесите в таблицу 1; разберите схему.

5. В каждом опыте рассчитайте токи нагрузки по формуле ; выходные сопротивления  в различных диапазонах тока нагрузки. Результаты занести в таблицу 1.

7. Сравните выходные сопротивления усилителя в различных режимах работы и сделайте выводы по проделанной работе.


Опыт № 2

Рисунок 7-Делитель напряжения

Соберите схему (рисунок 7) используя резисторы на модуле М1. ГСФ-2 установите в режим генератора напряжения (см. п.4).

В качестве R1 используется потенциометр R1, который представляет собой переменный резистор с сопротивлением 1кОм.

Произвести расчёт сопротивлений резисторов R2, R3 с учётом того, что выходное сопротивление получившегося низковольтного источника напряжения не превышало 10Ом. При этом UВЫХ на выходе схемы должно регулироваться от 0 до 100мВ. (при измерении UВЫХ вольтметром установить предел на «200мV»).

Сделайте вывод по проделанной работе.

Приложение

Подготовка вольтметра к работе

Подключить к вольтметру сетевой шнур и включить его в сеть.

Через 1 минуту после включения напряжения питания установить необходимый режим измерения. Для подсоединения объекта измерения к вольтметру необходимо использовать кабель и щупы из комплекта поставки.

Установить переключателем пределов измерения соответствующий предел. Если измеряемая величина не известна, то установить старший предел измерения.

В соответствии с выбранным пределом и режимом измерения вставить во входные гнёзда кабель измерительный, при необходимости подсоединить щупы.

Подсоединить щупы измерительного кабеля вольтметра к измеряемому объекту и произвести отсчёт показаний.

Контрольные вопросы

Законы Ома для однородного, неоднородного участка цепи. Закон Ома для замкнутой цепи.

Сопротивление проводников. Соединение проводников (вывод формул).

Работа и мощность электрического тока. Закон Джоуля-Ленца.

Теория Лоренца-Друде. Вывод закона Ома и закона Джоуля-Ленца в классической электронной теории электропроводимости металлов.

Сила и плотность тока. Напряжение (определение, единица измерения). Сопротивление (определение, зависимость сопротивления от температуры).

Приборы для измерения силы тока, напряжения, сопротивления (устройство, принцип работы).


 Техника безопасности

 Требования безопасности перед началом работ:

К работе в лаборатории допускаются студенты, прошедшие инструктаж на рабочем месте с соответствующей отметкой в журнале.

Работа в лаборатории проводится согласно общего расписания занятий. Во внеурочное время работа может выполняться только с согласия преподавателя и в присутствии лаборанта.

Запрещается включать электрооборудование и приборы без разрешения преподавателя или лаборанта.

Работа в лаборатории разрешается при наличии:

исправного электрического оборудования и электрической проводки;

заземления;

средств пожаротушения (огнетушитель, кошма, песок);

аптечки 1-ой медицинской помощи.

До начала работы студенты обязаны тщательно ознакомиться с инструкциями к лабораторным работам, устройством установок и принципом их работы.

Требования безопасности во время работы:

Запрещается оставлять включенные электрические установки и приборы без надзора;

Не допускается сборка, разборка и монтаж приборов, находящихся под напряжением;

Запрещается касаться неизолированных токоведущих частей.

Требования безопасности по окончании работы:

По окончании работы необходимо отключить питание электрических приборов, привести в порядок рабочее место;

Методика решения задач