Лабораторна робота № 1

 

ЕЛЕМЕНТНА БАЗА ЕЛЕКТРИЧНИХ КІЛ

 

Мета роботи – дослідження елементів, визначення їх параметрів, узгодження джерела і навантаження.

     Опис роботи

На рисунку 4 зображена схема для дослідження елементів електричних кіл (electric network).

Рисунок 4 – Узагальнена схема дослідження елементів

 

На рис. 4 використані такі позначення: Д – досліджуваний двополюсник (two-terminal device), RВ – відомий вимірювальний опір (resistance). Вимірам підлягають напруги (voltage) U1 і U2, зсув фаз (phase shift) між ними j = y2 – y1, а також частота (frequency) f.

За результатами вимірів комплексний вхідний опір (complex input impedance) двополюсника визначається за допомогою співвідношень

,                         (1)

де

,                    (2)

.                    (3)

Якщо покази фазометра, підключеного до кола на рисунку 4, знаходяться в межах 0о < j < 90о, то двополюсник має ємнісний характер (XД < 0), а його ємність розраховується за формулою . Якщо покази фазометра знаходяться в межах 270о < j < 360о, тоді двополюсник має
індуктивний характер і індуктивність розраховується за формулою . Якщо j = 0о, тоді двополюсник має активний характер
(XД = 0).

Електрорушійна сила (electromotance) джерела (source) вимірюється безпосереднім підключенням вольтметра (voltmeter) до розімкнених полюсів (terminal), тобто E=UХХ, де UХХ – напруга холостого ходу (open-circuit voltage). Для вимірів внутрішнього опору джерела (source resistance) необхідно в колі рисунка 4 двополюсник Д замінити потенціометром і підібрати його опір так, щоб вихідна напруга джерела зменшилась вдвічі порівняно з напругою холостого ходу. При цьому внутрішній опір джерела рівний опору навантаження (load resistance) і його можна розрахувати за формулою Rі = RВ(U1/U2), де U1 =UХХ/2.

При навантаженні джерела опором, рівним його внутрішньому, від джерела відбирається найбільша потужність. В цьому легко переконатись, якщо змінювати опір потенціометра в меншу і більшу від RД = Rі сторони і розрахувати потужність P = U1U2/ RВ.

     Завдання

1. З елементів набірного поля вибрати резистор, конденсатор, котушку індуктивності і визначити їх параметри, застосовуючи метод вольтметра-амперметра.

Для реалізації методу необхідно скласти коло (див. рисунок 5),

 

     Рисунок 5 – Електрична схема підключення вимірювального обладнання

 

де Г – генератор, Ч – частотомір, V1 і V2 – вольтметри на 10 В і 100 мВ відповідно, К – клеми для ввімкнення досліджуваного елемента, ОС – осцилограф, RВ – вимірювальний опір (1..10) Ом. Підключивши по черзі до клем К кола рисунка 5 досліджувані елементи, зробіть необхідні виміри.

Результати вимірів та значення опору RВ для кожного елемента занесіть до таблиці 1.

 

Таблиця 1 – Експериментальні результати дослідження елементів

Елемент

U1, В

U2, В

f, кГц

j°

RВ, Ом

Опір

          

Ємність

          

Індуктивність

          

Зарисуйте також осцилограми напруг U1 і U2 для кожного з досліджуваних елементів.

2. Мостом змінного струму виміряйте параметри тих же елементів, що і в п. 1, і занесіть їх до рядка “виміри” таблиці 2.

 

Таблиця 2 – Результати вимірювання параметрів елементів

Параметри

R, Ом

С, мкФ

RС, Ом

L, мГн

RL, Ом

Виміри

          

Розрахунок

          

3. Визначити діапазон зміни вихідної напруги і частоти джерела, а також його внутрішній опір.

Для цього при розімкнених клемах К кола рисунка 5 заміряти вихідну напругу і частоту при крайніх положеннях ручок регулювання генератора. Результати занести до таблиці 3.

 

Таблиця 3 – Результати вимірювання параметрів джерела

U1min, В

U1max, В

fmin, Гц

fmax, кГц

Ri, Ом
         

Потім підключити до клем К кола, рисунка 5, потенціометр на
100 Ом, і підібрати його опір так, щоб напруга U1 зменшилась вдвічі порівняно з тією, яка була до вмикання потенціометра. За результатами досліду розрахувати внутрішній опір джерела за формулою Rі=RВU1/ U2 і занести його до таблиці 3.

Переконатись, що при відхиленні опору потенціометра від знайденого в п. 3 активна потужність P = U1U2/ RВ на виході джерела зменшується.

4. Зняти навантажувальну характеристику джерела. Для цього змінюйте опір потенціометра, реєструйте покази вольтметрів і заносьте їх до таблиці 4. Запишіть значення вимірюваного опору.

 

Таблиця 4 – Дослідження навантажувальної характеристики джерела

U1, В

          

U2, мВ

          

I, мА

          

    

Обробка результатів

1. За результатами дослідів п. 1 визначте параметри елементів і занесіть їх до рядка “розрахунок” таблиці 2. Порівняйте отримані результати з виміряними мостом змінного струму.

2. За результатами досліду п. 1 розрахуйте напруги і струми на кожному елементі і запишіть їх у вигляді гармонічних функцій часу і комплексних величин.

3. Побудуйте векторну діаграму напруги і струму кожного елемента і вкажіть на зв’язок між векторними діаграмами та відповідними осцилограмами.

4. Побудуйте схеми заміщення кожного з досліджуваних елементів і генератора.

4. Побудуйте навантажувальну характеристику джерела U1 = f(I) і визначте з неї його внутрішній опір, е. р. с. та струм короткого замикання.

    

Контрольні запитання

1. Чим відрізняються реальні і ідеальні елементи електричних кіл?

2. Які прилади потрібні для визначення параметрів реальних елементів і як вони підключаються до кола?

3. Чи можна знайти вхідну напруга кола, якщо відомі діючі значення напруги на окремих послідовно з’єднаних ділянках?

4. Доведіть, що джерело віддає найбільшу потужність в навантаження, коли опір навантаження дорівнює внутрішньому опору джерела?

5. Чи можна за часовими діаграмами гармонічної напруги і струму двополюсної ділянки визначити параметри ділянки?

6. Чи можна штучно зменшити або збільшити внутрішній опір джерела?

    

Література

[1, С. 10–15; 10, С.17–34, 52–59; 11, С. 85–91, 109–111; 12, С. 16–21, 41–47; 13]