- •ПРАВИЛА ТЕХНИКИ БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ
- •КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ СТЕНДА ЭВ-4
- •. ИССЛЕДОВАНИЕ ЛИНЕЙНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЦЕПИ ПОСТОЯННОГО ТОКА
- •. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЦЕПИ
- •. ИССЛЕДОВАНИЕ ЧАСТОТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК КОЛЕБАТЕЛЬНЫХ КОНТУРОВ
- •. ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЗОНАНСНЫХ РЕЖИМОВ В СЛОЖНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЦЕПИ
- •ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ФИЛЬТРОВ
vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943
РАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ ЦЕПИ
Методические указания к лабораторным работам Второе, исправленное издание
Под редакцией П.А. Галайдина
Санкт-Петербург
2003
vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943
Министерство образования Российской Федерации Балтийский государственный технический университет «Военмех»
Кафедра электротехники
РАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ ЦЕПИ
Методические указания к лабораторным работам Второе, исправленное издание
Под редакцией П.А. Галайдина
Санкт-Петербург
2003
vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943
Составители: А.П. Лысенко, И.К. Желанкина, Э.Л. Мальц, Ю.Н. Мустафаев, Л.Ф. Погромская
Подготовка к переизданию: И.К. Желанкина, Ю.Н. Мустафаев
УДК 621.313 (07) Э10
Радиотехнические цепи: Методические указания
Э10 к лабораторным работам. 2-е испр. изд. /Под ред. П.А. Галайдина; Балт. гос. техн. ун-т. СПб., 2003. 54 с.
Настоящие методические указания содержат описание шести лабораторных работ по исследованию радиотехнических цепей. Все работы выполняются на стендах ЭВ-4. Изложены правила по технике безопасности и дано краткое описание стенда.
Предназначены для студентов, изучающих курсы «Теоретиче- ские основы электротехники», «Электротехника и электрооборудова- ние», «Электротехника и электроника», а также могут быть использо- ваны при выполнении НИРС.
УДК 621.313(07)
Р е ц е н з е н т канд. техн. наук, доц. каф. Н1 Е.Б. Коротков
Утверждено редакционно-издательским
советом университета
© БГТУ, СПб., 2003
vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943
vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943
ПРАВИЛА ТЕХНИКИ БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ
Лабораторные работы на универсальном лабораторном стенде ЭВ-4 проводятся в соответствии с требованиями по технике безопасности, рег- ламентированными ГОСТ 12.4.113-82. К лабораторным занятиям допус- каются студенты, прошедшие инструктаж по технике безопасности, кото- рый проводит преподаватель на первом лабораторном занятии, и распи- савшиеся в специальном журнале. Студенты, не прошедшие инструктаж и не расписавшиеся в журнале, к выполнению лабораторных работ не до- пускаются.
В начале каждого занятия студенты должны изучить основные теоре- тические положения и описание экспериментальной установки, на кото- рой выполняется работа, обратив особое внимание на предупреждения и запрещения, которые сформулированы в каждой работе.
Во избежание несчастных случаев и выхода из строя приборов и обо- рудования, каждый студент обязан строго соблюдать настоящие правила и не допускать нарушения их со стороны своих товарищей.
1. При выполнении лабораторной работы запрещается покидать свое рабочее место без разрешения преподавателя, а также переходить к дру- гому стенду без необходимости.
2. Сборку рабочей электрической схемы необходимо производить при
выключенном напряжении питания в соответствии с указаниями к данной лабораторией работе.
3. После сборки схемы требуется проверять соответствие исходного состояния элементов (кнопок и ручек управления) стенда состоянию, рег- ламентированному в указаниях.
4. Собранную схему необходимо предъявить для проверки препода- вателю, ведущему занятие. Включение схемы в сеть после проверки мож- но производить с разрешения и в присутствии преподавателя.
5. При обнаружении неисправности в схеме или возникновении ава- рийного режима (появление дыма, специфического запаха, искрения, по- дозрительного звука и т.п.) необходимо немедленно отключить схему или снять питание с внутренних цепей стенда автоматическим выключателем, расположенным под откидным столом на лицевой части стенда, и доло- жить об этом преподавателю или дежурному инженеру. Повторное вклю- чение стенда и схемы в этом случае категорически запрещается.
6. Запрещается производить различные переключения (перемонтаж элементов схемы) и исправления в схеме, находящейся под напряжением.
7. Запрещается прикасаться к оголенным частям схемы, находящимся под напряжением.
3
vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943
8.После выполнения лабораторной работы необходимо снять напря- жение со схемы, строго придерживаясь соответствующих указаний по данной работе, разобрать схему и привести в порядок рабочее место.
9.При попадании человека под напряжение необходимо немедленно освободить пострадавшего от действия электрического тока, повернув соответствующий выключатель. При потере сознания и остановке дыха-
ния немедленно начать делать пострадавшему искусственное дыхание до прибытия врача.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ СТЕНДА ЭВ-4
На первом лабораторном занятии студенты должны изучить конст- рукцию стенда ЭВ-4 и четко уяснить назначение оборудования, приборов и органов управления, а также их расположение на стенде. Лабораторный стенд ЭВ-4 имеет восемь панелей для сборки исследуемых цепей, панель источников питания (ПИ), расположенную на столе и комплект настоль- ных приборов.
Включение питания стенда осуществляется автоматическим выклю- чателем, расположенным справа под откидным столом.
Исследуемые цепи питаются от панели источников, расположенных на рабочем столе.
На рабочем столе расположены:
●кнопки «ВКЛ» и «ВЫКЛ» для включения и отключения панели ис- точников питания и источника трехфазного напряжения;
●кнопка включения и выключения источника регулируемого пере- менного напряжения «~0 – 220 В»;
●кнопка включения и выключения источника регулируемого посто- янного напряжения «= 0 – 220 В»;
●кнопка включения и выключения стабилизированного постоянного напряжения - 12 В;
●ручка регулирования постоянного и переменного напряжений и вольтметры для их контроля.
Все кнопки снабжены индикаторными лампами, сигнализирующими
овключении источников.
На лицевой части стенда расположены:
●панель №1 – элементы генератора релаксационных колебаний и параметрического стабилизатора постоянного напряжения;
●панель №2 – измерительные приборы и резисторы;
●панель №3 – измерительные приборы и резисторы;
●панель №4 – батарея конденсаторов и катушка индуктивности;
●панель №5 – элементы выпрямителя, четырехполюсника и фильтра;
●панель №6 – измерительные приборы, резисторы, диод;
4
vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943
● панель № 7 – блок для исследования переходных процессов; ● панель №8 – универсальные цифровые измерительные приборы
В7-22А и осциллограф C1-72.
Настольными приборами и оборудованием стенда являются генератор Г3-109, измерительный комплект К 505, трансформатор и катушка с фер- ромагнитный сердечником.
Все элементы и приборы снабжены штекерными гнездами для вклю- чения их в исследуемую цепь. Сборка схем осуществляется при помощи гибких проводников со штекерами.
Работа 1. ИССЛЕДОВАНИЕ ЛИНЕЙНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЦЕПИ ПОСТОЯННОГО ТОКА
Цель работы – практическое ознакомление с основными законами электрических цепей; определение влияния и способа соединения прием- ников на величину эквивалентного сопротивления, влияния величины со- противления приемника на распределение токов и напряжений в цепи, на
величины вырабатываемой источником и потребляемой приемником мощности, а также коэффициента полезного действия (КПД), измерение сопротивлений методом амперметра и вольтметра.
1. Основные расчетные соотношения
Любая электрическая цепь состоит из источников энергии и приемни- ков (нагрузки). Источник постоянного напряжения характеризуется двумя величинами: ЭДС E и внутренним сопротивлением Ri (рис. 1.1), а прием- ники в цепи постоянного тока – одним парамет- ром (сопротивлением постоянному току R). В ли- нейной цепи сопротивление не зависит от вели-
чины тока.
Основными физическими величинами, ха- рактеризующими процессы в электрических це- пях, являются токи, напряжения, мощности.
Связь между напряжением U и током I на Рис. 1.1 участке цепи постоянного тока с сопротивлением
R определяется законом Ома:
I = U R . |
(1.1) |
По первому закону Кирхгофа алгебраическая сумма токов в узле рав- на нулю:
k
å I j = 0 ,
j =1
5
vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943
где Ij -ток в ветви с номером j, k - число ветвей, сходящихся в рассматри- ваемом узле.
По второму закону Кирхгофа алгебраическая сумма ЭДС (Eq) в замк- нутом контуре равна алгебраической сумме падений напряжений (Uk) на участках контура:
p |
n |
n |
å Eq = åUk = å Rk Ik , |
||
q=1 |
k =1 |
k =1 |
где р - число источников, n - число участков в контуре.
В зависимости от способа включения элементов цепи различают по- следовательное (рис. 1.2, а), параллельное (рис. 1.2, б) и смешанное (рис. 1.2, в) соединения.
a |
б |
в |
Рис. 1.2
При последовательном соединении через все элементы протекает один и тот же ток. При этом эквивалентное сопротивление равно сумме сопротивлений Rk последовательно соединенных n элементов:
n
RЭ = å Rk .
k =1
При параллельном соединении элементов напряжение на их зажимах одно и то же. Эквивалентная проводимость равна сумме проводимостей 1/Rk параллельных ветвей:
|
1 |
n |
1 |
|
||
q = |
|
|
= å |
|
. |
|
R |
э |
R |
||||
|
|
k =1 |
k |
В случае двух параллельных ветвей с сопротивлениями R1 и R2 эквива-
лентное сопротивление
Rэ = R1+R2 R1 R2
меньше любого из сопротивлений, образующих параллельное соединение. Эквивалентное преобразование параллельно и последовательно со- единенных элементов позволяет любую цепь, содержащую один источник,
6
vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943
свести к цепи, представленной схемой на рис. 1.1. Для этой цепи по вто-
рому закону Кирхгофа
E = Ui + Uн = Ri I + Rн I ,
а ток в цепи |
|
|
|
I = |
|
E |
(1.2) |
R |
+ R |
||
|
i |
н |
|
определяется параметрами источника Е, Ri и приемника Rн .
Рассмотрим влияние сопротивления приемника на значения тока I напряжения на нагрузке Uн, мощности источника Р и мощности приемни- ка Рн . Из формулы (1.2) следует, что ток имеет максимальное значение Iкз = ERi в режиме короткого замыкания (Rн=0). С увеличением сопро-
тивления RН ток уменьшается до нуля в режиме холостого хода ( Rн = ∞ ). Напряжение на приемнике, равное напряжению на зажимах источника,
Uн = E − Ri I = |
Rн |
E , |
|
Ri + Rн |
|||
|
|
в режиме короткого замыкания равно нулю. С увеличением сопротивле- ния Rн напряжение возрастает до Uн=E в режиме холостого хода.
Мощность Р, вырабатываемая источником,
P = EI = |
E 2 |
|
, |
(1.3) |
R + R |
|
|||
|
i |
н |
|
изменяется подобно изменению тока и имеет максимальное значение Pкз=E2/Ri – в режиме короткого замыкания.
Мощность Рн, потребляемая приемником, определяется по закону Джоуля - Ленца:
P |
= R |
н |
I 2 |
= |
|
Rн |
|
|
E 2 . |
(1.4) |
|
|
|
|
|||||||
н |
|
|
|
(R |
+ R |
н |
)2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
i |
|
|
|
|
В режимах холостого хода и короткого замыкания она равна нулю. Максимальное значение мощности на нагрузке, Pн max =0,25Pкз, достигает- ся при Rн=Ri. Режим, при котором мощность, потребляемая приемником, максимальна, называют режимом согласованной нагрузки, а условие Rн=Ri – условием режима согласованной нагрузки.
Эффективность передачи энергии в цепи характеризуют коэффициен- том полезного действия (КПД):
η = |
Pн |
= |
|
Rн |
|
|
. |
(1.5) |
P |
R |
+ |
R |
|
||||
|
|
н |
|
|||||
|
|
|
i |
|
|
|
||
|
|
|
|
7 |
|
|
|
|
vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943
КПД в режиме короткого замыкания равен нулю, а в режиме согласо- ванной нагрузки - 0,5. При дальнейшем возрастании сопротивления на- грузки КПД возрастает. В режиме холостого хода ток в цепи отсутствует, передачи энергии не происходит, КПД теряет смысл.
На рис. 1.3 представлены графики изменения тока, напряжения, Р и Рн, КПД в зависимости от сопротивления нагрузки (Rн/Ri), построенные в относительных единицах.
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0.8 |
|
|
Uн/E, η |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0.6 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0.4 |
|
|
|
I/Iкз; P/Pкз |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
0.2 |
Pн/Pкз |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Rн/R |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
Рис. 1.3
Метод амперметра и вольтметра является косвенным методом изме- рения сопротивления. Измеряя ток и напряжение, вычисляют величину со- противления по закону Ома. Метод отличается невысокой точностью. При измерении по схеме рис. 1.4,а вычисляемое сопротивление всегда мень-
UV |
= |
U R |
< |
U R |
= R |
I A |
I R + IV |
|
|||
|
|
IR |
ше действительного значения сопротивления R, но если измеряемое со- противление много меньше внутреннего сопротивления вольтметра, то погрешность измерения мала.
При измерении по схеме рис. 1.4,б вычисляемое сопротивление
а |
б |
Рис. 1.4
8
vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943
UV |
= |
U R + U A |
= R + RA > R |
I A |
|
||
|
I A |
всегда больше действительного значения сопротивления R, но если изме- ряемое сопротивление много больше внутреннего сопротивления ампер- метра RA, то погрешность измерения мала. Поэтому схему на рис. 1.4, а называют схемой измерения малых сопротивлений (порядка единиц ом), а на рис. 1.4, б - схемой измерения больших сопротивлений (порядка сотен, тысяч ом).
2. Описание экспериментальной установки
Для выполнения экспериментов необходимы регулируемый источник постоянного напряжения U= 0 - 220 В и вольтметр М42100, расположен- ные на столе стенда (панели источников - ПИ), три резистора (R = 100 Ом, Р = 50 Вт), реостат (R = 150 Ом, P = 50 Вт), вольтметр и три амперметра магнитоэлектрической системы, расположенные на панели 6, два универ- сальных цифровых измерительных прибора В7-22А.
Используемый в работе источник постоянного напряжения является регулируемым. При исследовании последовательного и смешанного (pис. 1.5 и 1.6) соединения элементов напряжение источника поддержива- ем постоянным и принимаем равным ЭДС E. При этом сопротивление Ri=50 Ом считаем внутренним сопротивлением эквивалентного источника, а сопротивления R2, R3 - сопротивлениями приемника Rн.
Схема измерения малого сопротивления методом амперметра и вольтметра показана на рис. 1.7,а, а схема измерения большого сопротив- ления - на рис. 1.7,б.
3. Порядок выполнения работы
3.1. Исследование влияния сопротивления нагрузки на режим работы цепи
Собрать цепь в соответствии со схемой, приведенной на рис. 1.5. Ре- зистор Ri= 50 Ом реализовать с помощью двух параллельно включенных резисторов R = 100 Ом. Ручку регулирования напряжения источника пи- тания установить в крайнее левое положение (против часовой стрелки), что соответствует нулевому напряжению источника. Ручку регулирования реостата R=150 Ом установить в крайнее левое положение, что соответст- вует максимальному значению сопротивления. Цифровые вольтметры подключить к сопротивлениям цепи через клеммы «*» и «0 –1000 В», на- жать кнопки «- V» и «200», что соответствует измерению постоянного напряжения на пределе 200 В.
9
vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943
Рис. 1.5
После проверки схемы преподавателем включить регулируемый ис- точник постоянного напряжения, нажав на столе стенда кнопки «Вкл/Сеть» и «=0 – 220 В». Постепенно увеличивая напряжение источни- ка, установить Е = 50 В по вольтметру, установленному на столе стенда. Для точной установки Е использовать сумму показаний двух вольтметров: Е= Ui + Uн . Провести измерения. Результаты занести в табл. 1.1.
Во всех остальных опытах поддерживать Е= Ui + Uн = 50 В.
|
|
|
|
|
|
|
|
Т а б л и ц а 1.1 |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Измерения |
|
|
|
Вычисления |
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Е, |
I, |
U |
UH |
Ri, |
RН, |
Rэ, |
Р, |
РН, |
η |
|
В |
A |
Вi |
В |
Ом |
Ом |
Ом |
Вт |
Вт |
||
|
||||||||||
50 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Повторить измерения при различных значениях тока, равных 0,3; 0,4; 0,5; 0,6; 0,7; 0,8 А (ток задается уменьшением сопротивления реостата Rн при постоянном E = 50 В). Уменьшить напряжение источника до нуля, выключить источник. Ручку регулирования реостата Rн = 150 Ом устано- вить в крайнее левое положение. После проверки преподавателем резуль- татов измерений в табл. 1.1 разобрать схему.
3.2. Исследование параллельного соединения приемников
Собрать цепь в соответствии со схемой, приведенной на рис 1.6. Руч- ку переменного резистора R= 150 Ом установить в крайнее левое положе- ние. После проверки схемы преподавателем включить регулируемый ис- точник постоянного напряжения. Установить Е = 50 В, контролируя ве-
10
vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943
личину ЭДС по показаниям цифровых вольтметров. Провести измерения. Результаты занести в табл. 1. 2.
Рис. 1.6
Т а б л и ц а 1.2
|
|
Измерения |
|
|
|
|
Вычисления |
|
|
|
|||
Е, |
I, |
Ui, |
UH, |
I2, |
I3, |
Ri, |
R2, |
R3, |
RН, |
|
Р, |
РН, |
η |
В |
A |
В |
В |
А |
А |
Ом |
Ом |
Ом |
Ом |
|
Вт |
Вт |
|
50 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Повторить измерения при токах I= 0,75; 0,85; 0,9 А. Ток регулировать уменьшением сопротивления R2 при Е = 50 В. Уменьшить напряжение источника до нуля, выключить источник. После проверки преподавателем результатов измерений в табл. 1.2 разобрать схему.
3.3. Измерение малых сопротивлений
Собрать цепь по схеме, приведенной на рис. 1.7, а, используя в каче-
стве измеряемого сопротивления внутреннее сопротивление одного из амперметров постоянного тока М42100. Для измерения напряжения циф- ровым вольтметром использовать входные клеммы «*» и «2 В», нажать кнопки «-V», «2», что соответствует измерению напряжения на пределе 2 В. После проверки схемы преподавателем провести измерения при токе I = 1 А. Результаты измерений занести в табл.1.3.
Т а б л и ц а 1.3
Измеряемая |
Измерения |
Вычисления |
||
U, |
I, |
R, |
||
величина |
||||
В |
А |
Ом |
||
|
||||
|
|
|
|
|
RA |
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
11 |
|
vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943
Уменьшить напряжение источника до нуля, выключить источник. После проверки преподавателем данных измерений разобрать схему.
а |
б |
Рис. 1.7
1.4. Измерение больших сопротивлений
Собрать цепь по схеме, приведенной на рис 1.7,б, используя в качест- ве измеряемого внутреннее сопротивление вольтметра M 42100. Цифро- вой вольтметр включить через клеммы «*» и «0 - 1000В», нажать кнопку «200», что соответствует измерению напряжения на пределе 200 В. Циф- ровой прибор, используемый в режиме амперметра, включить через клем- мы «*» и «I, R», нажать кнопки «mА» и «20», что соответствует измере- нию тока на пределе 20 мА. После проверки схемы преподавателем про- вести измерения при напряжении 100 В. Результаты занести в табл. 1.4.
|
|
|
Т а б л и ц а 1.4 |
|
Измеряемая |
Измерения |
Вычисления |
|
|
U, |
I, |
R, |
|
|
величина |
|
|||
В |
А |
Ом |
|
|
|
|
|||
RV |
100 |
|
|
|
Уменьшить напряжение источника до нуля, выключить источник. После проверки преподавателем данных отключить питание стенда,
привести рабочее место в порядок.
4.Оформление отчета
1.По данным табл.1.1 - 1.4 вычислить значения сопротивлений по формуле (1.1).
2.По данным табл. 1.1, 1.2 вычислить значения мощности Р выраба- тываемой источником, мощности, РН, потребляемой приемником, и КПД
ηпо формулам (1.3) -(1.5).
12