Лабораторная работа №2. Исследование линейного активного двухполюсника.

Исследование линейного активного двухполюсника.

 

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Целью работы является приобретение навыков по расчёту линейных электрических цепей и экспериментальной проверке правильности расчётов, а также сборке реальных электрических цепей и их исследованию.

 

2. ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ

Для выполнения работы применяются:

- наборное поле универсального лабораторного стенда;

- необходимые измерительные приборы;

- резисторы, соединительные провода.

В лабораторной работе проводится исследование электрической цепи постоянного тока, схема которой приведена на рисунке 2.1.

Рис.2.1. Исследуемая схема

 

Она состоит из активного двухполюсника (часть схемы, охваченная пунктиром), к выходным клеммам которого 2-2 подключена нагрузка. Эта схема интересна тем, что является единичным звеном делителя напряжения. При каскадном (друг за другом) соединении нескольких таких звеньев получается ступенчатый делитель напряжения, который называется аттенюатором и применяется в измерительных приборах.

В качестве звена делителя напряжения эта схема используется при выполнении следующего условия - значения резисторов и выбирается таким образом, чтобы

 

 

При выполнении этого условия схема удлинителя приобретает ряд замечательных свойств:

- если к паре зажимов 2-2' или 1-1' подключен резистор , то входное сопротивление делителя со стороны другой пары зажимов 1-1' или 2-2' также равно ;

- напряжение на зажимах 2-2' делителя , нагружен­ного на резистор , связано с входным напряжением соотношением:

 

,

 

где S – коэффициент деления делителя.

Отсюда следует, что если задано значение коэффициента S и ; то значения резисторов и делителя выбираются из соотношений:

и .

3. ДОМАШНЕЕ ЗАДАНИЕ

3.1. По заданному коэффициенту S и (Приложение) для схемы, изображенной на рисунке 2.1, рассчитать значения резисторов и .

3.2. Рассчитать схему рисунок 2.1 методом контурных токов, пользуясь расчетными данными п.3.1. Определить точность расчёта методом баланса мощностей и проверить выполнение отношения:

 

 

Результаты расчётов занести в таблицу 2.1.

3.3. Рассчитать:

- напряжение холостого хода , т.е. напряжение на выходных клеммах при отключённой нагрузке,

- сопротивление при отключённой нагрузке,

- отключить сопротивление нагрузки, замкнуть перемычкой выходные клеммы и рассчитать ток короткого замыкания

Результаты расчётов занести в таблицу 2.1.

3.4. Задавая сопротивлению нагрузки ряд значений от до , рассчитать соответствующие значения тока и напряжение на нагрузке методом эквивалентного источника напряжения.

3.5. Построить внешнюю характеристику двухполюсника , используя результаты расчетов п.3.4.

3.6. Используя данные п.3.4 рассчитать мощность, потребляемую нагрузкой при различных значениях ее сопротивления , и коэффициент полезного действия .

3.7. Построить графики зависимостей:

 

 

4. ЛАБОРАТОРНОЕ ЗАДАНИЕ

4.1. Подобрать резисторы с номинальными сопротивлениями, соответствующими значениям, полученными при расчётах.

4.2. На наборном поле стенда собрать цепь в соответствии со схемой, изображенной на рисунке 2.1.

4.3. Замерить токи и напряжения в схеме.

4.4. Замерить значения U_XX, I_КЗ, .

4.5. Снять зависимость .

 

5. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ВЫПОЛНЕНИЮ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

5.1. С целью понимания причин расхождения результатов расчёта и эксперимента необходимо замерить истинные значения сопротивлений выбранных резисторов и записать эти значения. При сборке схемы, изображенной на рисунке 2.1, рекомендуется выбрать оптимальный вариант расположения резисторов на наборном поле с целью использования минимального количества соединительных проводов.

5.2. Замерить токи и напряжения в соответствии с требованиями таблицы 1 и внести их в эту таблицу.

5.3. Для определения параметров и необходимо выполнить следующее:

- отключить от зажимов 2-2' сопротивление нагрузки резистор и при отключенной нагрузке измерить напряжение холостого хода на выходных зажимах 2-2' двухполюсника;

- при отключенной нагрузке измерить ток короткого замыкания двухполюсника, замкнув его зажимы 2-2' через миллиамперметр;

- отключить от схемы источник питания, перемкнуть входные клеммы и, при отключенной нагрузке, измерить сопротивление между клеммами 2-2'

Результаты измерений занести в таблицу 2.1.

 

Таблица 2.1

 

Токи узла 1

Токи узла 2

Напряжения между парами узлов

UХХ

IКЗ

R2-2’

Электричес- кие величины

I1

I2

I3

IH

I5

I3

U12

U22’

U11’

U13

U31’

U32

Расчет

Измерения

 

5.4. Для снятия внешней характеристики двухполюсника необходимо подключить вольтметр к выходным клеммам 2-2'. Ток в нагрузке определяется по закону Ома. Затем в качестве нагрузки подключаются резисторы с различными номинальными значениями. Диапазон этих значений можно определить по п.3.4. Их должно быть не менее семи, и они должны обеспечивать достаточно равномерное расположение точек по всей характеристике. Для каждого значения сопротивления нагрузки ток и напряжения нагрузки, и результаты заносятся в таблицу 2.2. Одно значение нагрузки должно равняться значению или быть близким по значению к нему.

5.5. По данным измерения рассчитать:

- мощность, потребляемую нагрузкой при различных значени­ях , отметив особо значение максимальной мощности при ;

- коэффициент полезного действия двухполюсника при различных значениях

Данные измерения п.5.4 и расчетов п.5.5 свести в таблицу 2.2.

 

Таблица 2.2

UH(B)
IH(mA)
RH(kOм)
PH(Вт)
η (%)

 

 

5.6. Используя данные п.5.5 построить зависимости:

 

 

Для удобства сравнения результатов расчёта и эксперимента строить указанные зависимости необходимо на одном графике. Это значит, что у вас должно быть три графика.

 

6. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

6.1. Схемы исследуемой цепи, значения величин сопротивлений используемых в схеме резисторов;

6.2. Расчёты и графики в соответствии с домашним заданием.

6.3. Результаты экспериментальных исследований, представленных в таблицах.

6.4.Построенные экспериментальные зависимости:

6.5. Выводы по сравнительному анализу всех данных лабораторного исследования и предварительных расчетов

 

7. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

7.1. В чём суть расчета цепи методом контурных токов?

7.2. Каков смысл теоремы об эквивалентном источнике напряжения?

7.3. Как определяются

7.4. Что такое внешняя характеристика двухполюсника?

7.5. Каково условие передачи максимальной мощности от активного двухполюсника в нагрузку?

7.6. Каким образом определяется мощность, потребляемая нагрузкой и теряемая внутри двухполюсника?

7.7. Что называют коэффициентом полезного действия активного двухполюсника и как его определять?

 

ПРИЛОЖЕНИЕ

Варианты значений S и R₀ представлены в таблице 3.

 

Таблица 3

Вариант
S
R0, кОм

 

Величина Э.Д.С. питания:

Е = 12 В