Исследование делителей напряжения

 

Цель занятия: изучить характеристики делителей напряжения при различных нагрузках; Научиться измерять коэффициент передачи четырехполюсника с помощью электронно-лучевого осциллографа.

 

Домашнее задание

1. Изучить по [3.1] и [3.2] тему "Делители напряжения".

2. Ответить на вопросы самопроверки.

3. Подготовить бланк отчета (см. раздел 7).

4. Решить письменно задачу.

Рисунок 3.1– Г-образный делитель напряжения.

Рассчитать коэффициент передачи Г-образ­ного четырехполюсника (рисунок 3.1), если Rв = 500 Ом, Rм = 40, 80, 160, 320, 640, 1280, 2560, 5120 Ом. Полученный коэффи­циент передачи занести в таблицу 3.1.

 

Вопросы для самопроверки

1. Дайте определение двухполюсника.

2. Дайте определение четырехполюсника.

3. Изобразите четырехполюсник и укажите направления тока и напряжения на его входе и выходе.

4. Дайте определение входного сопротивления цепи.

5. Дайте определение коэффициента передачи четырехполюсника по напряжению, току и мощности.

6. Запишите эти коэффициенты формулами.

7. Дайте определение делителя напряжения.

8. Изобразите Г-образный делитель напряжения.

9. Изобразите делитель напряжения с плавной регулировкой (потенциометр).

10 В каких пределах изменяется коэффициент передачи по напряжению потенциометра?

 

Приборы и оборудование

1 Лабораторный макет.

2 Соединительные провода (6 шт).

 

Порядок выполнения работы

1 Проверка подготовки студентов к лабораторной работе по вопросам самопроверки.

2 Подготовка лабораторной установки к работе, получение инструктажа по технике безопасности.

2.1 Ознакомление с элементами, из которых собирают исследуемые цепи (ри­сунок 3.2, рисунок 3.3): генератором на блоке Г3, вольтметрами V 2 и V 3, магазином сопротивлений (R_М), делителем напряжения (R_К), осциллографом.

2.2 Собрать электрическую цепь по схеме (рисунок 3.2). Обозначение пунктир (--) означает, что у данных устройств вторая клемма уже заземлена и ее дополни­тельно заземлять не надо. Пригласить преподавателя проверить собранную цепь.

2.3 Включить тумблеры: "СЕТЬ", "ГЕНЕРАТОР", " V3 ", "КОММУТАТОР ОСЦИЛЛОГРАФА".

2.4 Поставить переключатели в следующее положения:

- переключатель формы сигналов в позицию 3();

- переключатель к вольтметру РV3 в положение 1 В;

- переключатель "синхронизация" в положение "внутренняя" (ЭК);

- переключатель "усиление" осциллографа в положение 1:1 (к. 2).

3 Исследовать делитель напряжения (R_м). Для этого:

3.1 Определить коэффициент передачи делителя различными способами: измерением действующих значений напряжений на входе и выходе делителя, измерением размаха изображения этих напряжений на экране осциллографа.

 

 

Рисунок 3.2 − Схема для исследования Г - образного делителя напряжения

 

3.2 На магазине R_м установить сопротивление 640 Ом.

3.3 Установить ручкой "выходное напряжение генератора" напряжение на входе схемы 1 В (вольтметр РV3).

3.4 Ручками "усиление" и "развертка" (вход " х " осциллографа) установить на экране 1-2 периода синусоиды.

3.5 Ручками "усиление" и ↨ (смещение по вертикали) установить размах сигнала 8 клеток.

3.6 Полученные данные о входном напряжении занести в таблицу 3.1.

 

Таблица 3.1− Данные о входном напряжении Г- образного делителя напряжения

Входное напряжение В	Размах на экране осциллографа (клетки)

3.7 Перенести входные выводы вольтметра РV3 и осциллографа на выход делителя в точку Д (рисунок 3.2). Так как для исследуемого случая: К= , то можно убедиться, что размах изображения уменьшится до величины 0,56 В.

3.8 Изменяя величину R_м от 40 до 5120 Ом снять показания вольтметра РV3 и размах изображения на экране осциллографа для всех значений R_м. Полученные данные выходного напряжения занести в таблицу 3.2.

3.9 Рассчитать коэффициент передачи для всех значений R_м по показаниям вольтметра РV3 и по величине размаха изображения на экране осциллографа.

3.10 Убедиться, что оба эти метода дают достаточную точность.

4 Исследовать делитель напряжения с плавной регулировкой (R_к). Получить экспериментальные характеристики делителя при различных сопротивлениях нагрузки R_н=∞ R_н=0,1 R_к. Для этого:

4.1 Отключить тумблер "Коммутатор Осциллографа".

4.2 Собрать цепь по схеме рисунок 3.3 для исследования делителя напряжения с плавной регулировкой. В качестве нагрузочного резистора использовать магазин R_м. Пунктир показывает, что вольтметр РV1 уже присоединен в макете.

 

Таблица 3.2 − Данные о выходном напряжении Г - образного делителя напряжения.

Rм, Ом	РV3, В	Размах изображения на осциллографе (клетки)	К (рассчитан по формуле в домашнем задании)	К (рассчитан через показания РV3)	К (рассчитан через размах изображения на осциллографе)

 

 

Рисунок 3.3 − Схема для исследования делителя напряжения с плавной регулировкой

4.3 На магазине сопротивлений (R_м) установить сопротивление 640 Ом, что соответствует приблизительно 0,1 от R_к.

4.4 Движок делителя перевести в положение наибольшего сопротивления, т.е. повернуть до отказа по часовой стрелке.

4.5 Верхний зажим магазина сопротивлений (R_м) отключить от схемы (зажим показан стрелкой на рисунок 3.3). Делитель будет работать при этом в режиме холостого хода.

4.6 Регулятором выходное напряжение установить на вольтметре РV3 напряже­ние 1В. Так как точность вольтметров РV1 и РV3 не одинакова, запомнить показание вольтметра РV3, равно 1В. Поддерживать полученное значение напряжения на вольтметре РV1 во всех дальнейших измерениях.

4.7 Дотронуться свободным проводником магазина сопротивлений (R_м) до выходного гнезда делителя (точка Д на рисунке 3.3).

4.8 Убедиться, что напряжение вольтметра РV3 на выходе делителя осталось 1 В, т.е. независимо от нагрузки при нахождении движка в крайнем верхнем положении, коэффициент передачи всегда равен 1. Занести полученные данные в таблицу 3.3.

 

Таблица 3.3 − Данные о выходном напряжении делителя напряжения с плавной регулировкой

	При Rн=∞	При Rн=0,1 Rк=640 Ом
U3, В	К	U3, В	К
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1

 

4.9 Снова отключить верхний зажим R_м (сопротивление нагрузки R_н = ∞).

4.10 Ручкой делителя установить напряжение на выходе (показание вольтметра РV3 0,9 В). Так как в режиме холостого хода К = R₁/R_к и К = U_вых/U_вх = 0,9/1 = 0,9, то данное положение соответствует отношению R₁/ R_к = 0,9.

4.11 Прикоснуться свободным выводом магазина сопротивлений (R_м) к выходному гнезду делителя (точка Д на рисунке 3.3), т. е. подключить нагрузку. Т. к. при этом выходной ток возрастает, то падение напряжения на участке (R_к- R₁) увеличится, а на выходе уменьшится. Занести полученное выходное напряжение в таблицу 3.3.

Пункт 4.10 проделать для значений U₃=0,8; 0,7; 0,6; 0,5; 0,4; 0,3; 0,2; 0,1 В, т. е. для = 0,8; 0,7; 0,6 и т. д.

4.12 Построить графики К = f(R₁/ R_к) при R_н = ∞ и при R_н = 0,1R_к в одной сетке координат.

 

Содержание отчета

1 Наименование и цель работы.

2 Схема исследований (рисунок 3.3).

3 Результаты измерений и вычислений (таблица 3.1, 3.2, 3.3).

4 Расчетные формулы.

5 Выполненное домашнее задание.

6 Графики зависимостей К = f() при R_н = ∞ и R_н = 0,1 R_к.

7 Выводы по работе.

8 Ответы на контрольные вопросы.

 

Контрольные вопросы

1 Как в общем случае производится расчет коэффициента передачи четырехполюс­ника по напряжению?

2 Какое значение должно иметь сопротивление R₁ (R_В), чтобы U_вых = U_вх (схема на рисунке 3.1)?

3 Какое значение должно иметь сопротивление R₂ (R_М), чтобы U_вых = 0 (схема на рисунке 3.1).

4 Чему равен коэффициент передачи по напряжению если движок потенциометра находится в "верхнем" положении? (схема на рисунке 3.3) Почему?

5 Чему равен коэффициент передачи по напряжению если движок потенциометра находится в "нижнем" положении? (схема на рисунке 3.3) Почему?

6 Нарисуйте зависимость коэффициента передачи потенциометра от положения движка при R_Н = ∞.

7 Почему при подключении нагрузки эта характеристика становится нелинейной?

8 Как влияет величина R_Н на степень нелинейности характеристики?

9 В каких пределах изменяется коэффициент передачи по напряжению делителей напряжения?

 

Методические указания

Четырехполюсником (ЧП) называется участок цепи, имеющий две пары внешних зажимов (рисунок 3.4).

Входным сопротивлением ЧП называется сопротивление между входными зажимами при режиме холостого хода (ХХ).

Выходным сопротивлением называется сопротивление между выходными зажимами в режиме холостого хода.

 

 

Рисунок 3.4 − Обозначение четырехполюсника

 

Коэффициент передачи по напряжению (К) − это отношение выходного напряжения ЧП к входному напряжению:

. (1)

Для расчета коэффициента передачи по напряжению в любой цепи надо:

1 Задаться произвольным напряжением на входе .

2 Любым методом рассчитать напряжение на выходе .

3 Взять отношение / , при этом сократится.

Расчет:

Рисунок 3.5 − Схема Г-образного делителя напряжения

для Г-образного четырехполюсника (рису­нок 3.5) I = ; = I• R2 = К = (2)

Вывод: в схеме Г -образного вида коэффициент передачи − это есть отношение выходного сопротивления ко входному.

Делителем напряжения называется четырехполюсник, у которого коэффициент передачи К<1.

Делитель напряжения изображен на рисунке 3.6.

 

Рисунок 3.6 − Схема делителя напряжения с плавной регулировкой

 

На рисунке 3.6 изображен делитель напряжения с плавной регулировкой. В верхнем положении движка (К=1), а затем уменьшается до 0 (нижнее положение движка). Если нет нагрузки (режим ХХ), то угол поворота (R₁/R_к) и коэффициент передачи находятся в линейной зависимости. (рисунок 3.7)

Рисунок 3.7 − Графики зависимости коэффициента передачи делителя напряжения с плавной регулировкой от угла поворота движка.

При подключении нагрузки падения напряжения на участке (R_к – R₁) увеличивается, так как растет общий ток. Поэтому при том же отношении (R₁/R_к), выходное напряжение будет уменьшаться. Зависимость коэффициента передачи К=f(R₁/R_к) от угла поворота движка будет нелинейна.

 

Литература

3.1 Агасьян М.В., Орлов Е.А. Электротехника и электрические измерения./ Агасьян М.В., Орлов Е.А. – М.: − Радио и связь, 1983, – /с. 46…52.

3.2 Методическое руководство к работе.

 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №4