Исследование нелинейных цепей

ПОСТОЯННОГО ТОКА

ЗАДАЧА РАБОТЫ

Задача работы — построение вольт-амперных характеристик нелинейных элементов на основании экспериментальных данных и приобретение навыков расчета электрических цепей постоянного тока, содержащих нелинейные элементы.

Продолжительность работы – 2 часа

 

КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

 

В электрические цепи могут входить элементы, сопротивление которых не является величиной постоянной, а зависит от напряжения и силы тока. Вольт-амперная характеристика (ВАХ) такого элемента имеет нелинейный вид, поэтому элемент называется нелинейным (НЭ). Электрическая цепь, в которую входит хотя бы один нелинейный элемент, называется нелинейной. К нелинейным элементам относятся полупроводниковые приборы, лампы накаливания и др.

На рис.1 приведена ВАХ нелинейного элемента.

Каждой точке ВАХ НЭ соответствует

определенное сопротивление

,

пропорциональное тангенсу угла наклона прямой CN к оси токов. Это сопротивление называется статическим и представляет собой сопротивление элемента постоянному току. Кроме статического сопротивления НЭ для каждой точки характеристики можно определить так называемое дифференциальное сопротивление R _диф, которое равно отношению приращения напряжения DU к приращению тока DI, стремящегося к нулю: ,

т.е. пропорционально тангенсу угла наклона касательной в данной

точке характеристики к оси токов. Дифференциальное сопротивление характеризует НЭ при малых изменениях напряжения и тока. При расчете нелинейной цепи с последовательным соединением линейного и нелинейного элемента часто используют метод нагрузочной характеристики.

Для цепи, показанной на рис. 2, согласно второму закону Кирхгофа можно записать:

,

откуда (1)

При постоянных значениях E и R из (1) следует, что между током I и напряжением на нелинейном элементе U_нэ существует линейная зависимость I=f(U_нэ), которая называется нагрузочной характеристикой.

Нагрузочная характеристика проходит через две точки (рис. 3):

E = U_нэ при I = 0 (обрыв в цепи) и , при U_нэ = 0 (короткое замыкание на нелинейном элементе).

	Рис. 3

 

ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ

 

1. Лабораторная работа выполняется на универсальном стенде ЭВ4.

2. На панели № 6 расположены амперметры, резисторы сопротивлением 100 Ом, лампа накаливания, на панели № 7 расположен амперметр с пределом измерения 300 мА. Для измерения напряжения используется цифровой вольтметр В7-38.

3. На горизонтальной панели стенда расположен источник постоянного тока (±0−220 В) и кнопки включения питания стенда.

4. Для подключения напряжения питания к исследуемой цепи необходимо:

- повернуть рукоятку ЛАТРа против часовой стрелки до упора;

- включить автоматический выключатель, расположенный под

откидной крышкой стенда;

- нажать кнопку общего включения стенда “Вкл”;

- нажать кнопку, расположенную под вольтметром “Постоянное”;

- установить заданное напряжение на зажимах цепи, плавно вращая рукоятку ЛАТРа.

 

В Н И М А Н И Е!

ПЕРЕД ВКЛЮЧЕНИЕМ СТЕНДА УБЕДИТЬСЯ, ЧТО РУКОЯТКА ЛАТРа, РАСПОЛОЖЕННОГО НА ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ ПАНЕЛИ СТЕНДА, ПОВЕРНУТА ДО УПОРА ПРОТИВ ЧАСОВОЙ СТРЕЛКИ.

ПОСЛЕ ПРОВЕДЕНИЯ КАЖДОГО ОПЫТА РУКОЯТКУ ЛАТРа НЕОБХОДИМО ВОЗВРАЩАТЬ В УКАЗАННОЕ ПОЛОЖЕНИЕ.

 

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

 

1. Ознакомиться с описанием лабораторной установки.

2. Составить и согласовать с преподавателем электрическую схему установки для снятия вольт-амперных характеристик нелинейных элементов.

3. Снять ВАХ лампы накаливания. Данные измерений занести в табл.1.

Таблица 1

I, мА
U, B

4. Построить на одном координатном поле вольт-амперные характеристики: лампы накаливания (по данным табл. 1), резистора сопротивлением 100 Ом и их последовательного соединения.

5. По заданному преподавателем значению одного из параметров (табл.2) определить графически остальные параметры последовательной цепи. Сравнить расчетные и опытные данные, результаты представить в виде табл. 2.

Таблица 2

Параметры	U, B	UR , B	Uл , В	I, мA
Расчетные
Опытные

6. Построить на одном координатном поле ВАХ лампочки (по табл. 1), резистора (R = 100 Ом ) и ВАХ эквивалентного нелинейного элемента, получающегося при параллельном их соединении.

7. Определить графически недостающие параметры последовательной цепи, состоящей из лампы накаливания (EL) и резистора (R = 100 Ом), по заданному преподавателем значению одного из параметров (табл. 3, заданный параметр подчеркнуть) и проверить полученные результаты опытным путем. Перед проведением опыта выбрать предел измерения амперметров. Результаты расчетов и измерений занести в табл. 3.

Таблица 3

Параметры	U, B	I, mА	IR , mА	Iл ,mA
Расчетные
Опытные

 

8. Для заданного преподавателем значения одного из параметров цепи (табл. 4) графически определить остальные значения расчетных токов и напряжений цепи (рис. 4) при значениях сопротивлений R ₁ = 100 Ом, R ₂ = 100 Ом.

9. Проверить расчеты опытным путем. Для этого собрать схему (рис. 4), выбрав амперметры с соответствующими пределами измерений. Измерять напряжение с помощью цифрового вольтметра В7-38. Результаты занести в табл. 4.

Таблица 4

Параметры	U, В	U1, В	U2, В	I, mA	I1, mA	I2, mA
Расчетные
Опытные

СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

Отчет по лабораторной работе должен включать:

- схемы исследуемых электрических цепей;

- таблицы с опытными и расчетными данными;

- вольт-амперные характеристики (п.п. 4, 6) с необходимыми построениями при расчете параметров цепей (п.п. 5, 7, 8);

- выводы по результатам проведенных исследований.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Что называется нелинейным элементом, нелинейной электрической цепью?

2. Приведите примеры НЭ и область их применения.

3. В чем принципиальное отличие НЭ от линейного?

4. Что такое статическое и дифференциальное сопротивления НЭ? В чем их различие?

5. Какими методами и на основании какого закона рассчитывается цепь с последовательным соединением НЭ?

6. Что такое нагрузочная характеристика и как ее построить?

7. Каков порядок расчета цепи с параллельным соединением НЭ? На основании какого закона основан расчет данной цепи?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3