Электрические цепи постоянного тока

На рис. 4.5 - то же самое, но при параллельном соединении двух элементов: для построения общей вольтамперной характеристики цепи, задаваясь произвольными значениями напряжения, производим сложение характеристик по току, используя 1-й закон Кирхгофа.

Приборы и оборудование

В данной работе предлагается снять вольтамперные характеристики трёх элементов, выявить их характер (линейный/нелинейный), снять ВАХ электрической цепи со смешанным соединением элементов и построить её. Полученную характеристику предлагается сравнить с характеристикой, полученной графическим методом расчета, т. е. путём сложения ВАХ элементов.

Элементы, исследуемые в работе, приведены в таблице 4.1. Все эти элементы выбираются из набора миниблоков. При выборе полупроводникового устройства ПУ необходимо выбрать либо ПУ1, либо ПУ2, по указанию преподавателя.

Таблица 4.1

В качестве источника напряжения в работе используется регулируемый источник напряжения от 0 до 15 В (НИЖНИЙ ИСТОЧНИК генератора постоянных напряжений), входящий в лабораторный блок генераторов.

Все измерения в данной работе выполняются с помощью двух мультиметров: один в качестве вольтметра, один в качестве амперметра. Поэтому:

перед подключением приборов к цепи необходимо правильно ПОДКЛЮЧИТЬ ЩУПЫ к клеммам мультиметра, в зависимости от требуемого режима работы;

правильно УСТАНОВИТЬ ПРЕДЕЛЫ ИЗМЕРЕНИЙ с помощью переключателя режимов работы мультиметра:

для измерения напряжения - - использовать из сектора пределов «V-» предел «20 В»;

для измерения тока - - использовать из сектора пределов «A-» предел «200 mA»;

необходимо учитывать, что вольтметр и амперметр имеют разные СХЕМЫ ВКЛЮЧЕНИЯ в электрическую цепь (см. рис. ОП.1, б и ОП.2).

Подробнее об использовании мультиметра см. в п. 7.6 общих положений данных методических указаний.

Порядок выполнения работы

1. Собрать на наборной панели цепь по схеме на рис. 4.6. При сборке цепи необходимо учесть, что к клеммам в процессе выполнения работы будут подключаться разные элементы, а впоследствии смешанное соединение всех трёх элементов, поэтому часть цепи, изображённая на схеме левее клемм , должна оставаться неизменной на протяжении всей работы. В качестве источника напряжения используйте нижний регулируемый источник генератора постоянных напряжений.



Рис. 4.6. Схема для снятия ВАХ элементов

2. После проверки схемы преподавателем, включить источник напряжения.

Таблица 4.2

Элемент	Элемент	Элемент	1,2,3
0		0		0		0
1		1		1		1
2		2		2		2
3		3		3		3
4		4		4		4
5		5		5		5
6		6		6		6
7		7		7		7
8		8		8		8
9		9		9		9
10		10		10		10

3. Подключить к клеммам первый исследуемый элемент (ЛН) и снять его вольт-амперную характеристику (ВАХ). Для этого, вращая ручку регулятора на панели генератора постоянного напряжения по вольтметру, подключенному к точкам , устанавливайте напряжение от 0 до 10 В с шагом 1 В. Получаемые при этом значения тока измеряйте амперметром, включенным между точками . Значения необходимо записать в таблицу 4.2.

4. Поочерёдно подключить к клеммам элементы и (резистор и полупроводниковое устройство) и повторить измерения с каждым из них по п. 3. При выборе из набора миниблоков полупроводникового устройства ПУ необходимо выбрать либо ПУ1, либо ПУ2, по указанию преподавателя. Значения токов также занести в табл. 4.2.

5. По данным п. 3 и п. 4 построить на одном графике ВАХ всех трёх элементов. Экспериментальные точки ВЫДЕЛИТЬ, как показано на рис. 4.7.

Рис. 4.7. Графическое построение ВАХ исследуемой цепи

6. Собрать схему рис. 4.8, б. После проверки схемы преподавателем включить источник постоянного напряжения.

7. Аналогично п. 3 снять общую характеристику смешанного соединения элементов. Результаты записать в табл. 4.2.

8. На том же графике, полученном в п. 5, построить общую характеристику последовательно-параллельного соединения трёх элементов (рис. 4.8, а) по образцу рис. 4.7, путём сложения их ВАХ на основании законов Кирхгофа. Результирующую ВАХ - выделить (можно другим цветом).

9. На том же графике, построенном при выполнении п. 5 и 8, нанести экспериментальные точки общей вольт-амперной характеристики смешанного соединения, снятой в п. 7. Точки, совпавшие с точками ВАХ, полученной графическим путём в п. 8 - ВЫДЕЛИТЬ КРЕСТИКАМИ ( ). Сравнить эти две вольт-амперные характеристики между собой. Сделать выводы.

Рис. 4.8. Схемы со смешанным соединением нелинейных элементов: а) исследуемая схема; б) схема для проведения измерений

10. Научиться по графику п. 8 находить в схеме рис. 4.8, а любой ток и любое напряжение для произвольных точек ВАХ.

11. Произвести расчет и для нелинейного элемента и точки ВАХ, указанных преподавателем. Для этого ВАХ указанного преподавателем элемента НЕОБХОДИМО ПОСТРОИТЬ ОТДЕЛЬНО и все необходимые геометрические построения произвести на ней.

12. Сделать выводы по результатам работы.

Оформление результатов работы

После выполнения лабораторной работы необходимо оформить отчет. Сделать выводы по проделанной работе.

6. Контрольные вопросы

1. Какой элемент называется нелинейным?

2. Что является важнейшей характеристикой нелинейного элемента?

3. Какими двумя параметрами характеризуется ВАХ нелинейного элемента?

4. Какая цепь называется нелинейной?

5. Как определяется дифференциальное сопротивление нелинейного элемента?

6. Как сказывается или о чем свидетельствует различие величин статического и дифференциального сопротивления?

7. Как построить общую ВАХ двух НЭ, включенных последовательно?

8. Как построить общую ВАХ двух НЭ, включенных параллельно?

Лабораторная работа 5

Нелинейные элементы в цепях постоянного тока. Нелинейный мост

1. Цель работы

Экспериментальное определение вольт-амперных (ВАХ) и ом-вольтных характеристик диода и резистора. Расчетно-графическое определение критического напряжения, при котором мост находится в равновесии. Исследование схемы нелинейного моста и его характеристик в цепи постоянного тока, экспериментальное определение критического напряжения.

2. Сведения из теории

Нелинейными электрическими элементами называются такие элементы, у которых основные параметры (сопротивление, индуктивность, емкость) зависят от напряжения, тока и других величин. Принципиально все элементы в той или иной степени имеют нелинейность, но, если их нелинейность существенно не влияет на процессы в цепи, то эти цепи считаются линейными. Если же пренебречь нелинейностью нельзя, то цепи рассматривают как нелинейные.

В настоящее время нелинейные элементы получили широкое применение, так как они дают возможность решать задачи, которые при линейных элементах принципиально неразрешимы. Так, при помощи НЭ можно выпрямлять переменное напряжение, стабилизировать напряжение и ток, генерировать и усиливать сигналы различной формы и т. д. Нелинейные элементы применяются в устройствах автоматики, измерительной и вычислительной техники, в различных видах усилителей, в радиоэлектронике, а, в последнее время, даже в силовых цепях электроподвижного состава.

Если в цепи есть хотя бы один нелинейный элемент (сопротивление которого существенно зависит от тока или напряжения), то цепь в целом является нелинейной. В нелинейных цепях происходят такие явления, которые принципиально невозможны в линейных цепях. Одно из таких явлений исследуется в данной лабораторной работе.

Рис. 5.1. Электрическая схема с нелинейным устройством (НУ)

Пусть на вход некоторого нелинейного устройства (НУ) (рис. 5.1) подается монотонно возрастающее напряжение, при этом наблюдается протекание тока в устройстве. Этот ток (рис. 5.2) сначала возрастает (участок 0-m кривой), достигая максимума в точке m, затем убывает (участок m-n кривой), и, проходя через ноль (точка n кривой), меняет свое направление на противоположное. Такое явление было бы невозможно в линейной цепи. Цепь с рассмотренными свойствами может быть применена, например, в устройствах регулирования напряжения электрических машин.

Рис. 5.4. Графическое определение критического напряжения на основании эксперимента

В данной лабораторной работе нелинейное устройство (НУ) представляет собой мост, плечи которого состоят из полупроводниковых диодов (ПД) и линейных резисторов (рис. 5.3). На одну из диагоналей этого моста подается напряжение от источника постоянного напряжения, а к другой диагонали подключен амперметр, который фиксирует исследуемый ток I.

Если считать, что диагональ с амперметром не имеет сопротивления (), а полупроводниковые диоды и резисторы по параметрам идентичны, то на каждом плече моста окажется половина входного напряжения .

При небольшом входном напряжении сопротивление полупроводникового диода значительно больше сопротивления резистора (рис. 5.4). Ток в цепи в основном течёт через резисторы и проходит через амперметр слева направо (см. рис. 5.5, а).

При некотором значении входного напряжения сопротивление диода становится равным сопротивлению резистора. Потенциалы точек горизонтальной диагонали моста (см. рис. 5.3) выравниваются, мост уравновешивается, и ток через амперметр становится равным нулю, т. е. перестаёт течь (см. рис. 5.5, б).

При дальнейшем увеличении входного напряжения сопротивление диода становится меньше сопротивления резистора. Ток в цепи начинает течь в основном через них. При этом через амперметр (см. рис. 5.5, в) ток проходит уже справа налево, т. е. изменяет свое направление на противоположное, относительно первоначального, и становится отрицательным.

Рис. 5.5. Режимы работы нелинейного моста

Оборудование и приборы

В данной работе предлагается исследовать работу нелинейного моста, для чего необходимо снять вольт-амперные характеристики диодов и резисторов, из которых состоит мост, а затем ВАХ всего нелинейного моста целиком.

Плечи моста (см. рис. 5.3) состоят из полупроводниковых диодов и резисторов, выбираемых из набора миниблоков. Помимо них используются добавочные сопротивления для удобства снятия ВАХ элементов моста, выбираемые также из набора миниблоков. Номиналы резисторов и добавочных сопротивлений для разных вариантов указаны в таблице 5.1.

Таблица 5.1

Вариант	, Ом	R, Ом
1	2 200	100
2	4 700	220
3	680	33
4	1 000	47
5	2 200	150
6	4 700	330
7	10 000	470

Для проведения эксперимента необходимы ДВА РЕЗИСТОРА R и ДВА РЕЗИСТОРА R_доб. При выборе из набора миниблоков данных резисторов необходимо помнить положения п. 7.2 общих положений настоящих методических указаний.

В качестве источника напряжения в работе используется РЕГУЛИРУЕМЫЙ (нижний) ИСТОЧНИК постоянного напряжения (от 0 до 15 В), входящий в состав лабораторного блока генераторов.

Все измерения в данной работе выполняются с помощью двух мультиметров: один в качестве вольтметра, один в качестве амперметра. Поэтому:

перед подключением приборов к цепи необходимо правильно ПОДКЛЮЧИТЬ ЩУПЫ к клеммам мультиметра, в зависимости от требуемого режима работы;

правильно УСТАНОВИТЬ ПРЕДЕЛЫ ИЗМЕРЕНИЙ с помощью переключателя режимов работы мультиметра:

для измерения напряжения - - использовать из сектора пределов «V-» предел «2 В»;

для измерения тока - - использовать из сектора пределов «A-» предел «20 mA»;

ВНИМАНИЕ!!! Для измерений в этой лабораторной работе используется иные пределы, отличные от тех, что были использованы в предыдущих работах!

необходимо учитывать, что вольтметр и амперметр имеют разные СХЕМЫ ВКЛЮЧЕНИЯ в электрическую цепь (см. рис. ОП.1, б и ОП.2).

Подробнее об использовании мультиметра см. в п. 7.6 общих положений данных методических указаний.

Порядок выполнения работы

1. Собрать на наборной панели цепь по схеме рис. 5.6. В качестве источника напряжения используйте нижний регулируемый источник из состава генератора постоянных напряжений. При подключении полупроводникового диода строго СОБЛЮДАЙТЕ ПОЛЯРНОСТЬ, указанную на схеме. После проверки схемы преподавателем, включить источник постоянного напряжения.

Рис. 5.6. Схема для снятия ВАХ полупроводникового диода

2. Снять вольт-амперную характеристику (ВАХ) полупроводникового диода (ПД). Для этого, вращая ручку регулятора на панели генератора постоянных напряжений по вольтметру, подключенному к точкам , необходимо устанавливать напряжения, указанные в таблице 5.2. Значения тока, измеряемые амперметром, включенным между точками B и C, записать в таблицу.

Таблица 5.2

Полупроводниковый диод	Резистор
0			0
0,10			0,10
0,20			0,20
0,30			0,30
0,40			0,40
0,42			0,42
0,44			0,44
0,46			0,46
0,48			0,48
0,50			0,50
0,52			0,52
0,54			0,54
0,56			0,56
0,58			0,58

3. Произведя в схеме рис. 5.6 необходимые замены, собрать схему рис. 5.7. Номиналы резисторов для каждого варианта указаны в таблице 5.1. Повторить измерения по п. 2, полученные значения записать в таблицу 5.2.



Рис. 5.7. Схема для снятия ВАХ резистора

4. По результатам измерений рассчитать статические сопротивления диода и резистора для каждой точки измерений. Полученные значения вписать в таблицу 5.2.

5. По данным п.п. 2, 3, 4 вычертить на одном графике вольт-амперные и ом-вольтные характеристики (зависимость статического сопротивления элемента от напряжения) диода и резистора. По полученным характеристикам определить значение входного напряжения , при котором . Используя это напряжение, определить критическое напряжение, при котором мост будет находиться в равновесии (I = 0)

.

6. Собрать схему нелинейного моста (рис. 5.8). Номиналы резисторов и добавочных сопротивлений для вариантов указаны в таблице 5.1. При сборке рекомендуется собирать сначала ту часть схемы, которая ВЫДЕЛЕНА ЖИРНОЙ ЛИНИЕЙ, также необходимо учитывать ПОЛЯРНОСТИ ВКЛЮЧЕНИЯ полупроводниковых диодов, указанные на схеме. Необходимо помнить, что если на электрической схеме для проведения эксперимента указана точка, обозначенная буквой, то в этом месте цепи должна быть отдельная четвёрка клемм. Пригласить преподавателя для проверки цепи.



Рис. 5.8. Схема для исследования нелинейного моста

7. Монотонно повышая входное напряжение источника, наблюдать за током через амперметр. Определить значение напряжения, при котором ток через амперметр будет равен нулю. Это значение напряжения записать как для данной схемы в табл. 5.3.

Таблица 5.3

8. Снять ВАХ нелинейного моста (по аналогии с п. 2). Для этого необходимо самостоятельно задаться значениями напряжения из интервалов (7-9 значений) и (2-3 значения) и измерить для них значения тока моста. Полученные результаты записать в таблицу 5.3. Обратите внимание, что при значения тока становятся отрицательными, т. е. ТОК МОСТА изменил свое направление!

9. По данным табл. 5.3 построить ВАХ мостовой схемы (нелинейного моста).

10. Сопоставить значения критического напряжения , полученного графическим путем в п. 5, со значением, полученным экспериментально при исследовании нелинейного моста в п. 7. Сделать выводы.

5. Оформление результатов работы

После выполнения лабораторной работы оформить отчет. Сделать выводы по работе.

6. Контрольные вопросы

1. Какой элемент называется нелинейным?

2. Какая цепь называется нелинейной?

3. В какой ветви нелинейного моста находятся нелинейные элементы?

4. Как работает нелинейный мост?

5. Какое напряжение называется критическим, в какой момент мост находится под действием этого напряжения?

Библиографический список

1.Сергашова Н.А. Методические указания и задания к выполнению расчётно-графических работ по дисциплине «Электротехника и электроника». - Самара: СамГАПС, 2003.

2.Касаткин А.С., Немцов М.В. Электротехника. - М.: ВШ, 2000.

3.Волынский А. и др. Электротехника. - М.: Энергоатомиздат, 1987.

4.Иванов И. И., Соловьев Г.И., Равдоник В.С. Электротехника. - М.: Лань, 2003.

5.Герасимов В.Г. Сборник задач по электротехнике и основам электроники. - М.: ВШ, 1985.

6.Шебес Р. Задачник по теории линейных электрический цепей. - М.: ВШ, 1982.

7.Пономаренко В. К. Сборник задач с решениями по общей электротехнике. - М.: ВШ, 1972.

8.Данилов И.А., Иванов П.М. Общая электротехника с основами электроники. - М.: ВШ, 2000.

Размещено на Allbest.ru