Лабораторный практикум и типовые задачи

 

 

Барнаул 2004

 

 

УДК 621.3

Выдрин И.П. Электротехника с основами электроники: Лабораторный практикум и типовые задачи. Барнаул: Изд-во АГАУ, 2004.

 

В учебном издании изложены методические указания к лабораторным работам, выполняемым в соответствии с учебным планом, и приведено решение типовых задач по изучаемому курсу, что позволит студенту подготовиться к осмысленному выполнению лабораторных работ и даст навыки решения практических задач при подготовке к экзаменам.

Учебное издание предназначено для студентов очного и заочного отделений инженерных неэлектрических специальностей.

 

Рекомендовано к изданию методической комиссией ИТАИ АГАУ (протокол № 1 от 30.09.2004 г.).

 

 

Рецензент – к.т.н., профессор АГТУ А.И. Багаев

 

 

© Выдрин И.П., 2004

© Алтайский государственный аграрный университет, 2004

 

Общие положения

 

1. К работе в лаборатории допускаются студенты, прошедшие инструктаж по технике безопасности у преподавателя.

2. Не трогать провода и не производить никаких переключений на стендах, не относящихся к Вашей работе.

3. Приступая к работе, убедиться, что напряжение на стенде отсутствует (включатель в нижнем положении).

4. Собрав схему, получить разрешение у преподавателя на включение.

5. При работе будьте внимательны и осторожны, чтобы не коснуться открытых токоведущих или вращающихся частей.

6. Любые изменения в схеме (замена приборов, соединений) проводить при выключенном напряжении с последующей проверкой преподавателем.

7. Закончив работу, отключить напряжение, разобрать схему, сложить провода.

8. На каждом рабочем месте необходимо знать, где быстро, соблюдая собственную безопасность, можно отключить напряжение при несчастном случае.

 

 

Отчет по лабораторной работе должен содержать:

 

1) название и цель работы;

2) схема установки;

3) таблица для измеряемых и расчетных величин;

4) расчетные формулы;

5) результаты работы (векторные диаграммы, графики, выводы).

Графический материал выполняется с применением чертежных инструментов и соблюдением ГОСТов.

Расчеты ведутся с точностью до третьей значащей цифры.

 

При выполнении лабораторных работ измеряются соответствующими приборами электрические величины: ток, напряжение, мощность, энергия и др. Чтобы правильно пользоваться приборами, необходимо по условным обозначениям на них определять, для какого тока (постоянного или переменного) они предназначены, какое предельное (максимальное) значение параметра они могут измерить, в каком положении должны находиться (горизонтально, вертикально, под углом), знать схемы включения. Необходимо иметь представление об устройстве и принципе работы приборов, уметь оценить точность измерения.

Работа ряда приборов основана на измерении тока и напряжения. При этом амперметры или токовые обмотки приборов (ваттметры, счетчики энергии) включаются последовательно в измеряемую цепь, а вольтметры или обмотки напряжения приборов включаются параллельно.

 

 

Схема включения электроизмерительных приборов

 

Приборы изготовляются на один предел или могут иметь несколько пределов измеряемой величины (многопредельные).

В однопредельных приборах указывается единица измерения (А, V, W, mA и др.). Шкала проградуирована в цифрах измеряемой величины, по которым можно найти цену более мелких делений.

На многопредельных приборах написано название прибора, а в зависимости от положения переключателя пределов цена деления ЦД рассчитывается как отношение значения предела П к числу делений N шкалы, после чего показания прибора можно определить, умножая цену деления на показания прибора в делениях.

Например, имеем амперметр с общим числом делений шкалы, равным 100, а предел измерения установлен на 2.5 А. Стрелка отклонилась при измерении на 40 делений (N₁).

Находим показания прибора (А₁):

А₁ = ЦД ∙ N₁ А₁ = 0.025 ∙ 40 = 1 А

В лабораторных ваттметрах одно- и многопредельных не указывается единица измерения, т.е. тоже надо рассчитать цену деления и тогда определить показания прибора.

Ваттметры имеют две измерительных цепи: токовую и напряжения. Отклонение стрелки пропорционально произведению этих величин, т.е. предел измерения мощности П_р рассчитывается по формуле:

П_р = П_А ∙ П_v.

Затем определяется цена деления и показания прибора.

В зависимости от требований к точности измерения приборы выпускаются на разные классы точности КТ. Класс точности – есть отношение абсолютной погрешности ∆А измеряемой величины А к пределу измерения, выражается в процентах и указан на приборе:

.

Абсолютная погрешность – это разность между действительным значением измеряемой величины, определяемым по эталонным приборам или эталонным методам А_Э и показаниям нашего прибора:

∆А = А_Э – А.

Так как измеряемая величина имеет различные значения от 0 до П_А, показателем точности измерения используют относительную погрешность ОП: отношение абсолютной погрешности к значению измеряемой величины, выраженных в процентах:

.

Из этой зависимости следует, что чем меньше измеренная величина, тем больше относительная погрешность измерения на данном приборе. Чтобы эта погрешность не была слишком большой, практически рекомендуется выбирать такие пределы приборов, чтобы стрелка находилась на середине шкалы и дальше в сторону предела.

 

Лабораторная работа № 1

 

Исследование разветвленной электрической цепи постоянного тока

 

Цель работы: изучение основных соединений потребителей и экспериментальная проверка правильности расчета разветвленной цепи методом эквивалентных преобразований.

 

Программа работы

 

1. Собрать схему экспериментальной установки (рис. 1.1).

 

Рис. 1.1

 

2. Для заданных значений напряжения генератора U₄ и сопротивлений резисторов определить расчетом показания приборов, указанных в схеме и сравнить их с измеренными значениями.

Данные расчетов и измерений занести в таблицу 1.1.

Таблица 1.1

Способ определения	I1	I2	I3	I4	U1	U2	U3	U4
мА	мА	мА	мА	В	В	В	В
Расчет
Опыт

 

3. Проверить справедливость I закона Кирхгофа при разветвлениях тока: I₂ = I₃ + I₄, I = I₁ + I₂ и деление напряжения пропорционально сопротивлению при последовательном соединении: U₁ = I₁R₁, U₂ = I₁R₂, U₃ = I₁R₃, U₄ =U₁+U₂+U₃. Ток I определить расчетом, рассчитав эквивалентное сопротивление всей схемы.

Примечание. Направление тока на участке схемы определяется правилом: если стрелка прибора отклоняется вправо (показание прибора больше нуля), то «+» прибора соответствует «+» в данной точке схемы, а положительное направление тока от «+» к «-».

 

 

Теоретические положения

 

Основными элементами электрической цепи являются: генератор (источник ЭДС), потребитель и соединительные провода. Схема замещения такой цепи дана на рисунке 1.2. Это последовательное соединение внутреннего сопротивления генератора R₀, сопротивления нагрузки R_н и идеального источника ЭДС Е₀.

 

Закон Ома для всей цепи: .

Закон Ома для участка: .

Баланс мощностей: P _г = Р_н + Р₀,

Е₀ I = I ²R_н + I ²R₀.

Рис. 1.2

 

Несколько потребителей могут соединяться последовательно, параллельно, смешанно, в звезду, в треугольник и др.

 

Последовательное соединение

I = const – ток на любом участке одинаков;

U_i = R_i I – напряжение на участке пропорционально его сопротивлению;

R₁₂₃ = R₁ + R₂ + R₃ – соединение можно заменить эквивалентным ему сопротивлением, равным сумме сопротивлений участков.

 

Параллельное соединение

u = const – напряжение на параллельных ветвях одинаково;

– ток в ветви определяется законом Ома;

– I закон Кирхгофа для разветвлений;

I – I₁ – I₂ – I₃ = 0 – алгебраическая сумма токов, сходящихся в узле, равна нулю;

– параллельное соединение можно заменить эквивалентным сопротивлением;

q₁₂₃ = q₁ + q₂ + q₃ – проводимость соединения равна сумме проводимостей ветвей.

 

Смешанное соединение

 

Имеется и последовательное и параллельное соединение. Эквивалентную ему схему с одним сопротивлением находим путем последовательной замены параллельного или последовательного соединения. Например, для части нашей схемы имеем следующую последовательность упрощений.

 

 

а б в

 

Расчет ведется в обратном направлении.

 

1) по схеме в: ;

 

2) по схеме б: U₅₇ = I₂ R₅₇;

3) по схеме а: ;

;

4) проверка: I закон Кирхгофа и баланс мощностей.

Баланс мощностей является следствием закона сохранения энергии. В любой электрической цепи мощность, вырабатываемая генераторами, должна быть равна мощности, потребляемой пассивными элементами цепи (в лабораторной работе это резисторы):

Р_г = ∑ Р_н + Р₀ = ∑ I² R + Р₀.

 

В лабораторной установке должно соблюдаться равенство:

.

Внутренним сопротивлением генератора ГН₂ пренебрегаем, считая Р₀ = 0.

 

 

Контрольные вопросы

 

1. Почему схема с последовательным соединением потребителей называется делителем напряжения?

2. Как рассчитать сопротивление, эквивалентное параллельному соединению?

3. Как составить уравнение по первому закону Кирхгофа для узла, к которому подходят токи трех ветвей, а выходят токи двух ветвей?

4. Как по приборам (вольтметр, амперметр) определить направление тока на участке цепи?

 

 

 

Лабораторная работа № 2