Правила выполнения лабораторных работ.

Целью лабораторных занятий является более глубокое усвоение теоретических вопросов путем экспериментальной проверки основных положений курса. Кроме того, эти занятия способствуют выработке навыков проведения исследований и анализа работы электрических схем.

Перед выполнением лабораторных работ каждый студент должен изучить правила внутреннего распорядка, относящиеся к данной лаборатории, и пройти инструктаж по технике безопасности.

Во время выполнения лабораторных работ студенты должны строго выполнять правила безопасности и соблюдать учебную дисциплину. Лица, нарушающие дисциплину и правила безопасности, отстраняются от выполнения работ.

Лабораторные работы выполняются в виртуальной среде с использованием программы Electronics workbench. Все лабораторные работы выполняются фронтальным методом, после того, как соответствующий материал изучен на лекциях и практических занятиях. В каждой работе исследуются наиболее важные принципиальные вопросы соответствующего раздела курса, в большинстве работ содержатся также задания и вопросы, направленные на углубленное изучение материала и на развитие творческих способностей студентов.

Каждый студент должен самостоятельно подготовиться к выполнению лабораторных работ. Предварительная подготовка состоит в изучении описания лабораторной работы и соответствующего теоретического материала по конспекту и учебным пособиям, а так же в подготовке протокола работы, содержащего название и цель работы; электрические схемы экспериментов и таблицы для записи результатов.

Перед началом выполнения каждой работы проводится проверка готовности студентов. В случае неподготовленности студент к работе не допускается.

При выполнении лабораторных работ следует соблюдать следующие правила.

Сборку электрической цепи рекомендуется начинать с последовательно соединенных элементов и приборов, а затем подключать параллельные ветви как самой электрической цепи, так и приборов. Каждая собранная электрическая цепь должна быть проверена преподавателем.

После окончания каждого опыта необходимо результаты замеров показать преподавателю и только после этого выключать схему.

Оформление отчета.

Отчет по лабораторной работе выполняется каждым студентом индивидуально.

Отчет должен содержать следующее: а) название и цель работы; б) электрические схемы всех экспериментов, выполняемых в данной работе; в) таблицы, графики или другие результаты всех опытов, исследуемых в данной работе; г) расчетные формулы и вычисления всех требуемых величин, д) ответы на контрольные вопросы.

Отчеты выполняются на отдельных тетрадных листах, аккуратно, с использованием чертежных инструментов и соблюдением стандартных обозначений для элементов электрических схем. Все графики и диаграммы должны быть выполнены в определенном масштабе и с обозначением величин.

Отчет по лабораторной работе должен быть защищен студентом перед началом следующей работы.

Краткая инструкция по работе с программой «Electronics Workbench».

Специализированная программная среда Electronics Workbench 4.1 предназначена для схемотехнического моделирования электронных устройств различной степени сложности.

В системе Electronics Workbench используется стандартный для Windows интерфейс с ниспадающими и разворачивающимися меню. Окно программы содержит поле меню, линейку контрольно-измерительных приборов и линейку библиотек компонентов. В рабочем поле, занимающем большую часть экрана, располагается моделируемая схема, к которой подключаются значки измерительных приборов, необходимых для проведения анализа ее работы. В нижней части этого поля отводится место для краткого описания схемы (на английском языке). Линейки прокрутки используются для центрирования чертежа схемы.

Построение исследуемой электрической схемы осуществляется с помощью мыши путем перетаскивания элементов (при нажатой левой кнопке) из библиотеки на рабочее поле. Для открытия каталога нужной библиотеки необходимо щелкнуть левой кнопкой мыши по соответствующему значку; после этого серый фон значка меняется на желтый. Перенесенный на рабочее поле элемент будет выделен красным цветом. Выделенный элемент схемы можно перемещать, вращать, удалять. Элемент остается выделенным до первого щелчка мышью в любой точке рабочего поля. Элемент можно выделить повторно, щелкнув по нему кнопкой мыши один раз. Можно также выделить несколько элементов (фрагмент схемы); для этого мышью выделяется на рабочем поле прямоугольник: будут выделены все элементы схемы, которые попали в этот прямоугольник.

Вращение элемента на 90^о осуществляется командой «Rotate» из меню «Circuit». Следует отметить, что если элемент уже подсоединен к схеме проводниками, то они будут вращаться вместе с ним, поэтому, прежде, чем повернуть элемент, его следует отсоединить от схемы. Для удаления элемента его можно унести за пределы рабочего поля или воспользоваться клавишей «Delete», можно также воспользоваться соответствующей клавишей меню «Edit».

Для того, чтобы изменить параметры элемента схемы, необходимо либо дважды щелкнуть по нему мышкой, либо выделить его мышкой (одним щелчком) и выполнить команду «Value» из меню «Circuit», затем в появившемся окне изменить требуемые параметры.

Чтобы задать позиционное обозначение элемента, нужно выделить этот элемент мышкой и выполнить команду «Label» из меню «Circuit», затем в появившемся окне ввести обозначение элемента.

Для соединения двух элементов следует подвести указатель мыши к выводу (конечному терминалу) первого элемента, при этом на выводе элемента возникает черный кружок, и, нажав левую кнопку мыши, вести появившийся проводник к выводу второго элемента. Отпускать кнопку следует только тогда, когда на выводе второго элемента также возникнет черный кружок. Если отпустить кнопку раньше, то соединение не произойдет и операцию придется повторить.

При необходимости соединения с уже существующим проводником в месте соединения должен появиться кружок, не закрашенный внутри, который после соединения преобразуется в черный (закрашенный). Если светлый кружок не появляется при приближении к проводнику, следует раздвинуть элементы, между которыми располагается этот проводник; после осуществления соединения элементы при необходимости можно снова сдвинуть. Для соединения двух пересекающихся проводников можно применить специальный соединитель (черный кружок), находящийся в библиотеке «Passive» : его следует поместить на точку пересечения проводников. Для вмонтирования элемента в уже проложенный проводник, следует поднести элемент к нужному месту и отпустить – элемент будет автоматически вставлен в разрыв провода.

Чтобы включить схему, следует либо нажать мышкой на виртуальный клавишный выключатель, либо выполнить команду «Activate» из меню «Circuit».

Для выполнения лабораторных работ требуются следующие элементы: резистор (сопротивление), конденсатор (емкость), катушка (индуктивность), источник напряжения, амперметр, вольтметр. Эти элементы находятся в библиотеках «Passive» и «Indic». В библиотеке «Passive» располагаются резистор, конденсатор, катушка, трансформатор, источники питания и другие элементы. Амперметр и вольтметр располагаются в библиотеке «Indic». Следует отметить, что параметрами измерительных приборов являются режим работы (DC – постоянный ток, АС – переменный ток) и внутреннее сопротивление. По умолчанию внутреннее сопротивление вольтметра составляет 1 Мом, а амперметра 1 мОм. При использовании измерительных приборов в режиме постоянного тока следует учитывать полярность подключения: отрицательная клемма показана на изображении прибора жирной чертой.

Лабораторная работа №1

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ПОДТВЕРЖДЕНИЕ СПРАВЕДЛИВОСТИ ПРАВИЛ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ

Цель работы: экспериментально подтвердить справедливость правил преобразования пассивных электрических цепей. Получить практические навыки преобразования электрических цепей.

Краткие теоретические сведения

Анализ электрических цепей часто может быть существенно упрощен путем использования различных преобразований, которые позволяют заменить одни участки идеализированных цепей другими, более удобными для анализа.

Два участка идеализированной электрической цепи называются эквивалентными, если при замене одного из этих участков другим токи и напряжения остальной части цепи не изменяются. Очевидно, эквивалентные участки имеют одинаковое число внешних выводов, причем токи этих выводов и напряжения между ними должны при преобразованиях оставаться неизменными. Преобразования электрических цепей, при которых некоторые участки цепи заменяются эквивалентными участками, также называются эквивалентными.

Если эквивалентность двух участков электрических цепей выполняется при любых значениях внешних воздействий, то такие участки являются полностью эквивалентными. Если же эквивалентность двух участков выполняется только при определенных значениях параметров внешних воздействий (например, при заданной частоте), то такие участки являются частично эквивалентными (эквивалентными при заданных условиях).

Эквивалентные преобразования электрических цепей основаны на эквивалентных (равносильных) преобразованиях соответствующих систем уравнений электрического равновесия. Соответственно изменяется и вид схемы цепи. На практике эквивалентные преобразования электрических цепей проводят путем непосредственного преобразования схем по определенным правилам без составления систем уравнений электрического равновесия. При дальнейшем анализе систему уравнений электрического равновесия записывают уже для преобразованной цепи.

Последовательным соединением элементов называют такое соединение, при котором между элементами нет ответвлений (рис.1.1).

При последовательном соединении выполняются следующие правила:

1) через все элементы протекает один и тот же ток;

2) напряжение на последовательном участке цепи равно сумме напряжений на элементах этого участка

3) участок цепи, содержащий N последовательно соединенных комплексных сопротивлений Z, может быть заменен одним комплексным сопротивлением Z_эк

Е₃

Е₁

Z₂

Z₁

Z₃

Е₂

U₂

U₁

U₃

Рис.1.1

Е_эк

Z_эк

В частности, для последовательных соединений двух резисторов (рис. 1.2, а), двух катушек (рис. 1.2, б) и двух конденсаторов (рис. 1.2, в) можно записать:

;

; .

R₁

R₂

R_ЭК

L₁

L₂

L_ЭК

С₁

С₂

С_ЭК

а)

б)

в)

Рис. 1.2

Параллельным соединением элементов (или ветвей) называют такое соединение, при котором несколько элементов (или ветвей) подключены к одной паре узлов.

Для параллельного соединения справедливы следующие правила:

1) напряжение на всех элементах одинаково;

2) общий ток параллельного участка равен сумме токов в ветвях;

3) участок цепи, содержащий N параллельно соединенных комплексных сопротивлений Z_i (рис. 1.3), может быть заменен одним комплексным сопротивлением Z_эк:

Z₁

Z₂

Z₃

I₁

I₂

I₃

Рис. 1.3

Z_N

…

Z_Эк

I_N

В частности, для параллельных соединений двух резисторов (рис 1.4, а), двух катушек (рис. 1.4, б) и двух конденсаторов (рис. 1.4, в) можно записать:

R_ЭК

L_ЭК

С₁

С₂

С_ЭК

а)

б)

в)

Рис. 1.4

R₁

R₂

L₁

L₂

Если преобразуемый участок цепи представляет собой смешанное соединение комплексных сопротивлений, то для эквивалентных преобразований такого участка можно применять рассмотренные правила для последовательного и параллельного соединения, т.к. смешанное соединение представляет собой сочетание групп параллельно и последовательно соединенных элементов. В многоэлементных электрических цепях со смешанным соединением иногда бывает невозможно сразу выделить участки с последовательным или параллельным соединением. В этом случае эквивалентное сопротивление всей цепи находят поэтапно, рассчитывая эквивалентные сопротивления отдельных участков, последовательно упрощая схему, свертывая ее.

В некоторых случаях в электрических цепях существуют такие соединения элементов, которые не поддаются расчетам по методу свертывания, так как не содержат ни последовательно, ни параллельно соединенных элементов. Для того, чтобы найти эквивалентное сопротивление такой схемы применяют преобразование треугольника сопротивлений в эквивалентную звезду.

В приводимых ниже формулах приняты обозначения, введенные на рис. 1.5. Для преобразования треугольника в эквивалентную звезду можно воспользоваться формулами:

Для преобразования звезды в треугольник можно воспользоваться формулами:

Z₁

Z₂

Z₃

Z₁₂

Z₂₃

Z₃₁

I₁

I₂

I₃

Рис. 1.5

Иногда при эквивалентных преобразованиях удобнее пользоваться выражениями не для сопротивлений, а для проводимостей.

Любая N-лучевая звезда может быть преобразована в эквивалентный N-угольник по формулам:

где Y_kl- проводимость стороны N-угольника, соединяющей узлы k и l; Y₁, Y₂, ....Y_N- проводимости элементов, образующих лучи звезды. Обратное преобразование полного N-угольника в N-лучевую звезду в общем случае невозможно.

В программе Electronics Workbench имеется модель универсального измерительного прибора - мультиметра (рис. 1.6).

Мультиметр позволяет измерять следующие величины: среднеквадратичное значение синусоидального тока или напряжения, значение постоянного тока или напряжения, сопротивление цепи постоянному току и падение напряжения между двумя точками схемы, выраженное в децибелах. Мультиметр располагается на панели приборов. Для его использования следует переместить значок мультиметра (рис. 2.6, а) в нужное место схемы и выполнить необходимые электрические соединения. Лицевая панель мультиметра (рис. 2.6, б) раскрывается после двойного щелчка левой кнопкой мыши по значку.

а) б)

Рис. 2.6

Все органы управления мультиметром размещены на лицевой панели. В верхней части панели расположен индикатор, где отображаются результаты измерений. Ниже расположены кнопки выбора режима работы, обозначенные символами: А - измерение тока (амперметр), V - измерение напряжения (вольтметр), Ω - измерение сопротивления (омметр) и dB - измерение разности потенциалов (напряжения) в децибелах (вольтметр с логарифмической шкалой). Под кнопками выбора режима работы расположены кнопки выбора рода тока: переменного или постоянного, обозначенные соответственно волнистой и прямой линиями. Еще ниже расположена кнопка «SETTINGS», нажатие на которую приводит к открытию диалогового окна, где можно задать параметры измерителей: внутренние сопротивления вольтметра и амперметра, измерительный ток омметра и стандартный уровень напряжения для измерения разности потенциалов в децибелах. В нижней части лицевой панели расположены две клеммы внешних соединений прибора, обозначенные «-» и «+». При измерении постоянных токов или напряжений следует соблюдать полярность подключения прибора, при измерении переменных токов или напряжений и при измерении сопротивлений полярность подключения прибора значения не имеет. При измерении сопротивлений необходимо установить режим постоянного тока и следить за тем, чтобы измеряемый участок цепи был обесточен.

Программа выполнения работы

1. Подготовить протокол работы, содержащий название работы, цель работы, схемы экспериментов и таблицы для записи результатов.

2. Пользуясь программой «Electronics Workbench»собрать схемы установок и выполнить измерения сопротивлений.Все установки состоят из различным образом соединенных резисторов и мультиметров, включенных в режиме измерения сопротивлений. Параметры элементов (сопротивления резисторов) указаны на схеме. Параметры мультиметра соответствуют принятым по умолчанию (ток омметра равен 0, 01 мкА).

3. Выполнить расчеты сопротивлений схем и сравнить с измеренными значениями.

Порядок выполнения работы

1. Собрать в программе Electronics Workbench схемы, изображенные на рис. 1.7, а.

б)

а)

в)

д)

г)

Рис. 1.7

2.Используя правила эквивалентных преобразований цепей, аналитически рассчитать эквивалентное сопротивление цепи относительно точек, к которым подключен мультиметр.

3. Включить схему и измерить эквивалентное сопротивление цепи. Сравнить результат измерения с результатом аналитического расчета (пункт 2).

4. Повторите пункты 1 - 3 для установок, изображенных на рисунках 1.7, б – 1.7, д.

5. Заполнить отчет. Отчет должен содержать титульный лист, цель работы, схемы исследуемых цепей, результаты эквивалентных преобразований цепей со всеми промежуточными выкладками и результаты измерений эквивалентных сопротивлений, выводы.

Контрольные вопросы

1. Какие преобразования электрических цепей называют эквивалентными? Для чего их применяют?

2. Как найти эквивалентные сопротивление, индуктивность, емкость для последовательно соединенных элементов?

3. Перечислите основные правила последовательного соединения.

4. Как найти эквивалентные сопротивление, индуктивность, емкость для параллельно соединенных элементов?

5. Перечислите основные правила параллельного соединения.

6. Как преобразовать треугольник сопротивлений в эквивалентную звезду? Как преобразовать звезду в эквивалентный треугольник?

Лабораторная работа №2

12 3	Поделиться: