Лекции.ИНФО


Техника создания электрических схем



Лабораторная работа № 1

Инструкция по практическому применению программного обеспечения Еlectronics Workbench (EWB) для выполнения лабораторного практикума по курсу «Электротехника»

 

Цель работы: изучить технику моделирования электрических схем, а также провести анализ посредством измерений электрических величин.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Техника создания электрических схем

Программа EWB позволяет моделировать электрические схемы различной степени сложности. Для создания электрической схемы посредством программы EWB необходимо иметь в качестве прототипа эскиз предполагаемой схемы (целесообразным будет использование эскизов, подготовленных для каждого пункта содержания выполняемой работы). В соответствии с подготовленным эскизом, на рабочее поле программы из библиотеки компонентов размещаются элементы электрической схемы. Моделирование схем производится в рабочем окне программы (рис.1.1).

Рис.1.1 Рабочее окно программы EWB

 

В верхнем ряду расположено меню рабочего окна (File, Edit, Circuit, Analysis, Window, Help), ниже представлен ряд команд, выполняющих функцию «горячих клавиш», позволяющих ускорить как моделирование схем, так и некоторые команды меню рабочего окна. Далее следуют пиктограммы, содержащие в себе различные элементы для моделирования электрических схем.

В правом верхнем углу рабочего окна расположен выключатель, запускающий и останавливающий анализ (работу) электрической схемы. Под выключателем находится клавиша Pause, позволяющая в нужный момент приостановить процесс анализа электрической схемы.

Рабочее окно программы, где производится моделирование электрических схем, отделено от ряда пиктограмм разделительной чертой, содержащей в левом углу название файла программы.

Для размещения элементов курсор мыши подводят к соответствующей пиктограмме, содержащей нужный для построения схемы элемент и нажимают один раз на левую кнопку мыши. После чего откроется окно с изображением элементов, имеющихся в данной пиктограмме. Выбранный элемент путем нажатия левой кнопки мыши перетаскивается на рабочее поле. При этом элемент будет выделен красным цветом, свидетельствующем о его активном состоянии. Двукратное нажатие на элемент левой клавиши мыши приводит к открытию диалогового окна, дающего возможность установки требуемых для цепи параметров (напряжения, номинального сопротивления и т.д.).

После размещения элементов производится соединение их выводов с проводниками. Для этого курсор мыши наводится на вывод элемента, после появления черной точки нажимается левая кнопка мыши, появившийся при этом проводник протягивается к выводу следующего элемента до появления черной точки, после чего кнопка мыши отпускается и соединение считается состоявшимся (готовым). Необходимо учесть, что к выводу элемента можно подключить только один проводник. При возникновении необходимости разрыва соединения, либо удаления лишнего элемента, на проводник или выбранный элемент производится однократное нажатие левой кнопки мыши, после чего нажимается клавиша Delete клавиатуры, что приводит к появлению диалогового окна, спрашивающего: действительно ли мы хотим удалить выбранный элемент. Утвердительный ответ – выбранный элемент или проводник удаляется, отрицательный – оставляет схему без изменения. Подключение или удаление контрольно-измерительных приборов производится аналогично.

 

Библиотека компонентов EWB

 

Число пиктограмм, содержащих элементы электрических схем, равно 14. Библиотека компонентов содержит следующие разделы:

1. Favorites – раздел, содержащий подсхемы, если они имеются в данной схеме. В исходном состоянии раздел пуст. Заполнение раздела моделями компонентов или подсхем осуществляется программой автоматически, одновременно с загрузкой схемного файла и очищается после окончания работы с ним.

2. Sources – источники. Все источники в EWB представлены в качестве идеальных.

3. Basic – линейные и нелинейные элементы.

4. Diodes – диоды.

5. Transistors – транзисторы.

6. Analog ICs – аналоговые микросхемы.

7. Mixed ICs – микросхемы смешанного типа.

8. Digital ICs – цифровые микросхемы.

9. Logic Gates – логические цифровые микросхемы.

10. Digital – цифровые микросхемы.

11. Indicators – индикаторные устройства.

12. Controls – аналоговые вычислительные устройства.

13. Miscellaneouts – компоненты смешанного типа.

14. Instruments – раздел, содержащий в себе устройства, позволяющие проведение анализов электрических схем.

Далее будут представлены пиктограммы и относящиеся к ним элементы, посредством которых будет производиться непосредственное моделирование электрических схем.

1. Sources – источники питания с возможностью задания номинальной величины с параметрами от мкВ до кВ:

источники постоянного напряжения;

источник переменного напряжения. Кроме номинальной величины напряжения задается частота и начальная фаза угла;
заземление – имеет нулевое напряжение. Необходимо для расчета потенциалов.

2. Basic

резистор – сопротивление (Ом – МОм);

конденсатор – емкость (пФ – Ф);

катушка индуктивности (мкГн – Гн);

ключ, замыкание и размыкание которого происходит посредством клавиши «пробел» клавиатуры.

вольтметр – измерительный прибор со значительным внутренним сопротивлением, подключаемый в электрическую цепь параллельно ;
3. Indicators – измерительные приборы с изменением величины внутреннего сопротивления и задания напряжения:

амперметр – измерительный прибор с минимальным внутренним сопротивлением, включающийся в электрическую цепь последовательно;

лампа накаливания. Характеризуется максимальной мощностью (мВт – кВт) и максимальным напряжением (мВ – кВ). При подаче напряжения, превышающее максимальное напряжение, лампа перегорает.

 

Содержание работы

1. В качестве закрепления материала, полученного при изучении данной лабораторной работы, студентам предлагается на основании теоретических материалов лекции разработать и смоделировать либо использовать предлагаемую преподавателем электрическую схему на постоянном и переменном напряжении.

2. Подобрать элементы и их номиналы величин и пояснить свой выбор.

Контрольные вопросы

1. Какова область применения электроизмерительных приборов?

2. Чем отличается прямое измерение от косвенного?

3. Какие требования следует предъявлять к измерительному прибору при выборе его для измерения?

4. Начертите схему включения амперметра, вольтметра.

5. Как можно измерить сопротивление цепи, пользуясь амперметром и вольтметром?

6. Как можно косвенным путем рассчитать сопротивление цепи, пользуясь данными о токе и мощности цепи?

7. Как изменится ток в цепи, если вольтметр включить последовательно с нагрузкой?

 

Лабораторная работа № 2

Общие сведения

При расчете электрических цепей вначале необходимо определить токи в ветвях, затем приступать к расчету недостающих параметров цепи. Для этого первым шагом при расчете электрической цепи становится задание произвольного направления токов в ветвях. Метод непосредственного применения законов Кирхгофа (классический метод) основан на применении к сложным электрическим схемам 1-го и 2-го законов Кирхгофа.

Число рассчитываемых токов равно числу ветвей – А, число узлов – Б. Для расчета А неизвестных необходимо составить А уравнений. По первому закону Кирхгофа составляется (Б-1) уравнения, недостающее число уравнений (А-(Б-1)) составляют по второму закону Кирхгофа.

Решая систему из А уравнений, можно определить токи по ветвям. Если в какой-либо ветви ток оказался отрицательным, это означает, что движение тока противоположно выраженному первоначально направлению.

Формулировка первого закона Кирхгофа: алгебраическая сумма токов в узле равна нулю

.

При этом токи, направленные к узлу, берутся со знаком «+», а токи, направленные от узла, берутся со знаком «-».

Формулировка второго закона Кирхгофа: алгебраическая сумма падений напряжений в любом замкнутом контуре равна алгебраической сумме ЭДС в этом же контуре

,

где m – число пассивных элементов, на которых происходит падение напряжений в контуре;

n – число ЭДС в этом же контуре.

Для составления уравнений по второму закону Кирхгофа задают направление обхода контура, при этом совпадающие по направлению ЭДС и токи берутся со знаком «+», а противоположно направленные со знаком «- ».

Расчет и построение потенциальной диаграммы. Под потенциальной диаграммой понимают график распределения потенциала вдоль какого-либо участка цепи или замкнутого контура. Для выполнения расчета потенциальной диаграммы (направление и величина токов должны быть уже рассчитаны) одну из точек φ выбранного контура заземляют. По оси абсцисс на графике откладывают в масштабе сопротивления вдоль контура, начиная от какой-нибудь произвольной точки, а по оси ординат - соответствующие потенциалы точек контура. Каждой точке контура цепи соответствует своя точка на потенциальной диаграмме. Следует отметить два фактора, которые учитывают при расчете потенциалов:

1) ток движется от точки с большим потенциалом к точке с меньшим потенциалом;

2) на концах источника питания происходит скачок потенциала, причем на острие потенциал выше, чем на тупой стороне стрелки источника питания.

В качестве примера рассмотрим схему (рис. 2.1). Задав направления токов и обхода контуров для расчета токов, приступим к составлению уравнений по законам Кирхгофа. Число узлов в представленной схеме равно 4, число ветвей - 6, соответственно для нахождения неизвестных токов нужно составить шесть уравнений. При этом для узлов по первому закону Кирхгофа составляется (4-1) – уравнений, для узлов 1,2 и 3.

Рисунок 2.1

≠{

по второму закону Кирхгофа (6-(4-1)) уравнений для замкнутых контуров I, II, III.

Для расчета и построения потенциальной диаграммы выберем внешний контур (рис. 2.1).

Потенциал точки а заземляем, соответственно напряжение в этой точке равно нулю φа= 0. Тогда:

φb = φа - I2R2

φc = φb + E2

φd = φc - I1R1

φe = φd + E5

φf = φe - I5R5

φa= φf - I6R6

Потенциальная диаграмма по данным расчета показана на рисунке 2.2. Угол наклона графика на каждом участке характеризует величину тока на этом участке: чем круче, тем больше ток.

Рисунок 2.2 Потенциальная диаграмма

 

Содержание работы

В электрической цепи:

1) измерить ток на резисторах;

2) измерить распределение потенциалов вдоль контура;

3) по экспериментальным данным проверить первый и второй законы Кирхгофа;

4) построить потенциальную диаграмму.

Лабораторная работа № 3

Общие сведения

Последовательное соединение нагрузок

На схеме по рисунку 3.1 три резистора, соединенные последовательно (через них проходит один и тот же ток), подключены к источнику энергии с напряжением U.

Рисунок 3.1 Последовательное включение сопротивлений

 

Для этой цепи по 2-му закону Кирхгофа имеем:

где - общее сопротивление всей цепи.

Общая мощность цепи:

.

Параллельное соединение нагрузок

На схеме по рисунку 3.2 резисторы R1, R2, R3 соединены параллельно (находятся под одним и тем же напряжением) и подключены к источнику с напряжением U.

Для рассматриваемой цепи по первому закону Кирхгофа имеем:

Рисунок 3.2 Параллельное включение сопротивлений

,

где - общая проводимость цепи, равная сумме проводимостей ветвей.

Общая мощность цепи:

,

.

Если в цепи всего два сопротивления, соединенных параллельно, то

или

, ,

. (3.1)

По аналогии для тока второй ветви:

. (3.2)

Выражения (3.1) и (3.2) позволяют легко найти ток в разветвлении, если известен общий ток.

Смешанное соединение нагрузок

В цепи по рис. 3.3 (а) некоторые сопротивления соединены между собой последовательно, а некоторые параллельно. Расчет токов в таких цепях производится методом последовательного свертывания цепи, как показано на рисунке 3.3:

,

 

Uab
Ι4  
U
в)
б)
а)
а
R4

Рисунок 3.3

 

Тогда общий ток цепи: .

 

Напряжение (рис. 3.3 в). Остальные токи:

 

, .

Баланс мощностей

В любой электрической цепи существует баланс мощностей. Сумма мощностей, доставляемых в нее от источников энергии, всегда равна сумме мощностей потребляемых в ней.

или

.

 

Если направление источника Еk и тока Ik не совпадает, то источник работает в режиме двигателя и его мощность принимается с отрицательным знаком.

 

Содержание работы

 

1. Собрать схемы: неразветвленной электрической цепи, разветвленной электрической цепи и смешанного типа.

2. Провести вычисления косвенным и прямым способом значений напряжения и токов при включении его в сеть постоянного напряжения. Рассчитать мощность, потребляемую реостатом.

3. По экспериментальным данным проверить баланс мощностей.

 

Лабораторная работа № 4

Общие сведения

 

Принцип наложения формулируется следующим образом: ток в любой ветви равен алгебраической сумме токов, вызываемых каждой из ЭДС схемы в отдельности, этот принцип справедлив для всех линейных электрических цепей и положен в основу метода расчета, получившего название метода наложения.

При расчете цепей данным методом поступают следующим образом:

а) поочередно рассчитывают токи, возникающие от действия каждой из ЭДС, мысленно удаляя остальные из схемы, но оставляя в схеме, при их наличии, внутреннее сопротивление источников;

б) находят токи в ветвях путем алгебраического сложения частичных токов.

В качестве примера рассмотрим схему на рисунке 4.1(а)

 

а) б) в)

 

Рисунок 4.1

Для расчета токов, протекающих в представленных схемах, составим схемы замещения для токов, возникающих от действия каждой из ЭДС

(рис. 4.1-б,в). Составим уравнения для расчета токов.

Для токов ЭДС Е1:

 

, , .

 

Для токов ЭДС Е3:

 

, , .

 

Тогда полные токи будут равны:

 

I1 = I1¢ + I1², I2 = I2¢ -I2², I3 = I3¢ + I3² .

 

Содержание работы

 

1. Собрать схему в рабочем окне программы.

2. Измерить величину токов и напряжения.

3. Определить значение токов и напряжения расчетным путем.

4. Сравнить рассчитанные и измеренные величины. На основании сравнений написать вывод.

Лабораторная работа № 5

Общие сведения

 

Основные параметры переменного напряжения

Переменное напряжение имеет синусоидальную форму (рис. 5.1). Установлено, что синусоидальная форма напряжения удобна для электротехнических расчетов, а также экономически выгодна для работы электрооборудования.

u

Рисунок 5.1. Графики напряжений

 

Основные параметры синусоидального напряжения следующие:

U1m, U2m –амплитудные (максимальные) значения;

φ1 , φ2 – начальные фазы, φ1 – положительная, φ2 – отрицательная;

Т – период в радианах или в секундах;

- частота, Гц;

- угловая частота, рад/сек.

Различают следующие значения синусоидальных величин:

Um, Ιm, Еm – амплитудные значения;

U, Ι, Е – действующие значения;

u, i, e – мгновенные значения.

Действующее значение является величиной расчетной, но имеет с энергетической точки зрения глубокий физический смысл. Все приборы общего применения (вольтметры, амперметры и др.) показывают действующее значение. Математически действующее значение определяют так:

 

т.е.

, , . (5.1)

 

Мгновенное значение – это значение функции для какого–либо момента времени. Например, при t=0 е(0), i(0), u(0) – значение величины к этому времени.

Особенности процессов в цепях переменного напряжения

Электрический ток в проводниках неразрывно связан с магнитным и электрическим полями. При переменном токе эти поля изменяются во времени. Изменяющееся магнитное поле наводит ЭДС, изменение электрического поля сопровождается изменением зарядов на проводниках. При этом часть электромагнитной энергии превращается в тепло, часть излучается.

В реальной электрической цепи нельзя выделить какой-либо участок, с которым не были бы связаны вышеперечисленные явления. Поэтому для упрощения рассмотрения процессов электрическую цепь заменяют идеализированной цепью или расчетной схемой, составленной из идеальных элементов, в каждом из которых наблюдается только одно из перечисленных явлений.

Элементы, характеризующие преобразования электромагнитной энергии в тепло, называются активным сопротивлением r или проводимостью g.

Элементы, связанные с наличием только магнитного поля, называются индуктивностью L и взаимной индуктивностью М.

Элементы, характеризующие наличие только электрического поля, называются емкостями С. Провода, соединяющие элементы идеализированной цепи, считаются не обладающими ни R, ни L, ни С.

Резистор в цепи синусоидального тока

Пусть ток в цепи изменяется по закону . Тогда для схемы замещения (рис. 5.2) выведем законы изменения напряжения и мощности.

Рисунок 5.2 Резистор в цепи с синусоидальным источником напряжения

 

По закону Ома для мгновенных значений:

 

,

где - закон Ома для амплитудных значений, или

, - закон Ома для действующих значений.

Закон Ома в комплексной форме будет записываться так:

 

.

Мощность цепи:

 

, (5.2)

где - средняя мощность.

Мгновенная мощность р имеет постоянную составляющую и переменную с двойной частотой 2ω (рис. 5.3). При этом постоянная составляющая полностью переходит в тепловую энергию.

Векторная диаграмма цепи, содержащей только резистор (рис. 5.4).

 

Рисунок 5.3 График тока, напряжения и мощности

 

 

Рисунок 5.4 Векторная диаграмма цепи

Идеальная катушка (индуктивность) в цепи синусоидального тока.

Пусть ток изменяется с нулевой начальной фазой. Для идеальной катушки ее резистивное сопротивление R=0. Поэтому приложенное внешнее напряжение уравновешивается только с помощью ее ЭДС самоиндукции:

 

, .

Следовательно , т.е. напряжение опережает ток на 90º по фазе (рис.5.5).

Рисунок 5.5 Индуктивность в цепи переменного тока

 

Здесь - закон Ома для максимальных значений;

- индуктивное сопротивление.

Графики тока, напряжения и мощности показаны на рисунке 5.6, а векторная диаграмма цепи показана на рисунке 5.7.

 

 

Рисунок 5.6 Графики тока, напряжения, мощности

 

Рисунок 5.7 Векторная диаграмма

 

Закон Ома в комплексной форме записи будет иметь вид:

 

или

.

Мощность цепи:

.

Среднее значение мощности равно нулю, т.е. индуктивность не потребляет мощность. В одну четверть периода она запасает его в своем магнитном поле, а в следующую четверть периода эта энергия возвращается к источнику энергии (рис.5.8).

Конденсатор в цепи переменного тока.

Будем считать, что ток в цепи изменяется с нулевой начальной фазой .

Рисунок 5.8 Конденсатор в цепи переменного тока

 

Ток конденсатора ,

где q=СU – заряд на обкладках конденсатора. Тогда напряжение:

 

,

 

т.е. напряжение на емкости отстает от тока на 90º (рис.5.9). Векторная диаграмма цепи показана на рисунке 5.10.

 

Рисунок 5.9 Графики тока, напряжения и мощности

 

Рисунок 5.10 Векторная диаграмма цепи

В последнем выражении величина - емкостное сопротивление, Ом.

Закон Ома в комплексной форме:

 

. (5.3)

Мощность цепи:

.

 

Емкость также не потребляет активную мощность.

 

Содержание работы

1. Опытным путем определить ток, протекающий через резистор, вычислить мощность, построить векторную диаграмму тока и напряжения.

2. Опытным путем определить ток, проходящий через конденсатор, другие параметры. Вычислить мощность, построить векторную диаграмму тока и напряжения.

3. Опытным путем определить ток, проходящий через катушку индуктивности, другие параметры, вычислить мощность, построить векторную диаграмму тока и напряжения.

 

Лабораторная работа № 6

Общие сведения

 

Основной задачей при анализе цепи синусоидального тока является расчет тока по заданному напряжению на зажимах цепи и параметрам элементов цепи. К зажимам цепи последовательно соединенных R, L и C элементов прилагаем синусоидальное напряжение (рис. 6.1) . По замкнутой цепи протекает синусоидальный ток i.

 

Рисунок 6.1

К зажимам цепи последовательно соединенных R, L и C элементов прилагаем синусоидальное напряжение (рис. 6.1) . По замкнутой цепи протекает синусоидальный ток i.

По второму закону Кирхгофа напишем уравнение электрического состояния цепи:

U=Ur+UL+UC ,

где

 

Тогда . [6.1]

Уравнение [6.1] является линейным и его общий интеграл равен сумме частного решения заданного уравнения и решения соответствующего однородного уравнения при U=0.

Тогда решение будет иметь следующий вид:

.

 

Таким образом, задача сводится к определению Im и φ (где φ=φui). Проще и нагляднее задача решается с помощью векторной диаграммы (рис. 6.2), изображающей синусоидальные функции с помощью комплексных чисел.

 

Рисунок 6.2

 

Ход построения векторной диаграммы следующий:

Откладываем в произвольном направлении вектор тока i. Затем относительно вектора тока I, с учетом сдвига по фазе, откладываем вектора напряжений на каждом элементе в соответствии с расположением их на схеме.

Вектор совпадает по направлению с вектором тока I. Вектор опережает по фазе вектор тока на π/2, а вектор отстает от вектора I на π/2.

Сумма векторов должна удовлетворять равенству U=Ur+UL+UC.

Из прямоугольного треугольника ОАВ, по второму закону Кирхгофа, уравнение цепи (рис 6.1) будет иметь вид:

, [6.2]

где , , .

После подстановки в уравнение [6.2] имеем:

 

.

 

Применив закон Ома, можно определить полное сопротивление цепи z:

, [6.3]

где - реактивное сопротивление цепи;

- алгебраическая форма полного комплексного сопротивления цепи;

показательная форма,

где , а .

В зависимости от величины реактивного сопротивления различают три режима:

1. Если , то - цепь активно-индуктивная.

2. Если , то - цепь активно-емкостная.

3. Если , то - цепь активная.

Резонанс напряжений

Рисунок 6.3

 

Если , то ток в цепи , то есть цепь в данном случае имеет наименьшее сопротивление, как будто в цепи присутствует только активная нагрузка r. При этом напряжения на индуктивности и емкости и сдвинуты по фазе на π и полностью компенсируют друг друга (рис. 6.3).

Напряжение, приложенное к цепи, равно напряжению на активном сопротивлении, и ток совпадает по фазе с напряжением. При этом напряжение на индуктивности и емкости может значительно превышать входное напряжение , поэтому резонанс получил название резонанса напряжений.

Отношение выражает добротность контура. Добротность контура показывает, во сколько раз напряжение на индуктивном элементе превышает напряжение на входе схемы двухполюсника. В радиотехнике Q может доходить до 300 и более. Чем больше добротность, тем более острую форму имеют кривые тока и напряжений.

 

Рисунок 6.4

Из условия следует, что резонанса напряжений можно достичь, изменяя либо частоту приложенного напряжения, либо параметры цепи - индуктивность или емкость. Угловая частота ωрез, при которой наступает резонанс, называют резонансной угловой частотой: . В лаборатории резонанса напряжений достигают при ω=const, L=const, изменяя емкость С (рис. 6.4). Программа EWB позволяет наблюдать резонанс, меняя любой из перечисленных параметров.

При резонансе напряжений можно отметить следующие моменты:

1. Резонанс напряжений происходит при условии, что входное сопротивление является чисто активным, т.е.: , при . Ток и напряжение совпадают по фазе.

2. Резонанс зависит от L, C и ω. , или .

3. Напряжение источника и падение напряжения на r равны, тогда , ( ) они находятся в противофазе и взаимно компенсируют друг друга .

 

Содержание работы

1. Добиться резонанса напряжения, изменяя следующие параметры:

а) угловую частоту;

б) конденсатор;

в) катушку индуктивности.

2. Показать зависимость резонансных кривых тока и напряжения от изменяемых параметров.

3. По результатам п.1 для каждого из изменяемых параметров построить векторные диаграммы для трех режимов:

а) до резонанса;

б) при резонансе;

в) после резонанса.

4. На основании проведенного опыта сделать выводы.

Лабораторная работа № 7

Общие сведения

Пусть имеются три нагрузки (рис. 7.1). Первая нагрузка активно-индуктивная, вторая – активно-емкостная, третья – чисто активная, т.е. , , .

Рисунок 7.1. Параллельно включенные нагрузки

 

При параллельном включении нагрузок основным вектором является вектор напряжения, .

По первому закону Кирхгофа для мгновенных значений будет: . Для действующих значений: .

На рисунке 8.2 построена векторная диаграмма рассматриваемой цепи. Первый ток отстает от напряжения, т.к. первая ветвь цепи активно-индуктивная. Второй ток опережает напряжение на угол φ2 и третий ток совпадает по фазе с напряжением.

 

Рисунок 7.2 Векторная диаграмма цепи









Читайте также:

Последнее изменение этой страницы: 2016-03-17; Просмотров: 94;


lektsia.info 2017 год. Все права принадлежат их авторам! Главная