Теорія електричних і електронних кіл

Міністерство освіти і науки України

Запорізька державна інженерна академія

______________________________________

... Турба М.М.,

Юдачов А.В.,

 

ТЕОРІЯ ЕЛЕКТРИЧНИХ І ЕЛЕКТРОННИХ КІЛ, ч. II

Методичні вказівки до виконання лабораторного практикуму для студентів ЗДІА спеціальності 6.90804 «Фізична та біомедична електроніка» денної та заочної форм навчання

Запоріжжя

2007

Міністерство освіти і науки України

Запорізька державна інженерна академія

ТЕОРІЯ ЕЛЕКТРИЧНИХ І ЕЛЕКТРОННИХ КІЛ, ч. II

Методичні вказівки до виконання лабораторного практикуму  для студентів ЗДІА спеціальності 6.90804 «Фізична та біомедична електроніка» денної та заочної форм навчання

Рекомендовано до видання

на засіданні кафедри ФБМЕ,

протокол № 15 від 01.06.07

Теорія електричних і електронних кіл, ч. II. Методичні вказівки до виконання лабораторного практикуму для студентів ЗДІА спеціальності 6.090804 «Фізична та біомедична електроніка»..денної та заочної форм навчання / Укл. Турба М.М., Юдачов А.В. – Запоріжжя, 2007 - 62 с

Методичні вказівки призначені для студентів спеціальності «Фізична та біомедична електроніка».для керівництва при виконанні лабораторного практикуму. Вказівки містять теоретичні відомості та перелік контрольних запитань.

Укладачі: М.М.Турба, професор

А.В. Юдачов, ст. викладач

Відповідальний за випуск: зав. кафедрою ФБМЕ

професор Є.Я. Швець

ЗМІСТ

 

ВСТУП

Лабораторна робота № 1 ДОСЛІДЖЕННЯ ПЕРЕХІДНИХ ПРОЦЕСІВ В ЛІНІЙНИХ ЛАНЦЮГАХ ПЕРШОГО ПОРЯДКУ (ДИФФЕРЕНЦІЮЮЧИ ТА ИНТЕГРУЮЧИ ЛАНЦЮГИ)

Лабораторна робота № 2 ДОСЛІДЖЕННЯ ПЕРЕХІДНИХ ПРОЦЕСІВ В ЛІНІЙНИХ ЛАНЦЮГАХ ДРУГОГО ПОРЯДКУ

Лабораторна робота №3 ДОСЛІДЖЕННЯ НЕЛІНІЙНИХ ЛАНЦЮГІВ ПОСТІЙНОГО СТРУМУ

Лабораторна робота №4 ДОСЛІДЖЕННЯ ЛАНЦЮГІВ, ЩО МІСТЯТЬ НЕСИМЕТРИЧНІ НЕЛІНІЙНІ ЕЛЕМЕНТИ

Лабораторна робота № 5 ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДИОДОВ

Лабораторна робота № 8 Дослідження характеристик ліній з розподіленими параметрами

ВСТУП

Згідно вимог освітньо-професійної програми за напрямком «Комп’ютерні науки» та робочої програми курсу “Теорія електричних і електронних кіл, ч. I» студенти напрямку 0908 «Електроніка» спеціальності 6.90804 «Фізична та біомедична електроніка» після вивчення зазначеної дисципліни повинні вміти провести аналіз і розрахунок електричних кіл постійного, змінного та трифазного струмів та опанувати навиками проведення вимірювань електричних величин, побудови і аналізу функціональних залежностей останніх.

З цією метою студентам пропонуються для самостійного виконання лабораторні роботи, поставлені на спеціальних стендах та змодельовані за допомогою навчальної програми Electronics Workbench на персональних комп’ютерах в комп’ютерному класі кафедри ФБМЕ.

Завдання лабораторного практикуму студенти виконують згідно варіантів, які визначаються відповідно до порядкового номеру в академічному журналі обліку успішності та відвідувань занять студентами групи.

Студент допускається до виконання чергової роботи практикуму після підтвердження (у формі комп’ютерного тестування) наявності необхідних знань теоретичного матеріалу та порядку виконання роботи.

Для зарахування виконаної лабораторної роботи студент повинен пред’явити викладачу і захистити індивідуальний звіт з виконаної роботи, обґрунтувавши отримані результати та побудовані функціональні залежності.

Згідно модульно-рейтингової системи організації навчального процесу у робочій навчальній програмі приведено розподіл максимальних балів рейтингу за усіма видами навчальної роботи з даної дисципліни. Лектор конкретизує (в залежності від запланованої кількості лабораторних робіт, виду індивідуальних завдань та ін.) розподіл рейтингових балів на поточний семестр, про що студентів інформують на початку семестру.

Звіти з лабораторного практикуму виконуються згідно з загальними правилами оформлення науково-технічних звітів і відповідно до вимог держстандартів і міжнародної системи одиниць СІ. Для написання чи віддрукування роботи використовуються аркуші паперу формату А4, діаграми та графіки розміщують на міліметровому або спеціально розлінованому папері. Зараховані роботи зберігаються на кафедрі упродовж навчального року.

Лабораторна робота № 1

дослідження перехідних процесів в лінійних ланцюгах першого порядку (дифференціюючи та интегруючи ланцюги)

1.1 Мета роботи:

експериментальне дослідження перехідного процесу в ланцюзі з послідовним з'єднанням RC- елементів та RL- елементів при включенні її в ланцюг постійного струму. Визначення параметрів електричного ланцюга по графіках перехідних процесів.

1.2 Зміст роботи:

 для заданого електричного кола (рис.1.1):

- встановити задані (за варіантами) параметри елементів;

- скласти характеристичне рівняння та знайти його коріння;

- по результатам рішення визначити вид перехідного процесу в досліджуваному ланцюзі;

- провести необхідні вимірювання величин струмів та напруги (табл. 1.2);

- зарисувати епюри струмів та напруги на елементах досліджуваного ланцюга;

1.3 Теоретичні відомості:

Стрибкоподібна зміна стану ланцюга елементів, зокрема підключення або відключення ланцюга до джерела живлення, або стрибкоподібна зміна величин параметрів електричного ланцюга називається комутацією.

Закони комутації полягають в тому, що струм в індуктивності iL і напруги на ємності U_C не змінюються стрибком у момент комутації:

Перший закон комутації застосовується до ланцюгів, що містять котушку індуктивності:

i (t = - 0) = i (t = + 0),

тобто, струм в котушці індуктивності не може змінитися стрибком; миттєвий струм в гілці з індуктивністю в перший момент перехідного періоду (при t = + 0) залишається таким же, яким він був в останню мить попереднього сталого режиму (при t = - 0).

Так, електричний стан ланцюга що містить котушку індуктивності у будь-який момент перехідного періоду характеризується рівнянням

U = U _R + U _L = iR + L(di/dt),

яке виражає баланс напруги в ланцюзі; звідси:

.

Дане диференційне рівняння характеризує закон зміни струму в котушці після замикання перемикача Р у схемі рис.1.1. Так, при підключення котушки індуктивності до джерела постійної напруги струм у ланцюзі збільшується, але не миттєво; відповідний графік перехідного струму

Якщо припустити, що за наявності в ланцюзі опору R струм змінювався б по лінійному закону з найбільшою швидкістю (пряма i_L), то сталої величини I він досяг би за найменший час t = τ. Цей проміжок часу є важливою характеристикою і називається постійною часу електричного ланцюга.

Постійну часу можна визначити графічно (рис.3.10), якщо провести дотичну Оа до кривої струму на початку координат і крапку а перетину дотичної з асимптотою спроектувати на вісь часу. Відрізок Оа' в масштабі часу і виразить постійну часу. Таку ж довжину має відрізок а'b', який можна одержати, якщо провести дотичну до кривої струму в будь-якій точці а₁, знайти точку b перетину дотичної з асимптотою і спроектувати точки а₁ і b на вісь часу.

Аналітичний вираз постійної часу:

τ = L/R,

тобто постійна часу визначається лише параметрами R і L даного ланцюга.

Вплив величини напруги і параметрів ланцюга на перехідний процес

Перехідний процес при включенні RL - ланцюга на постійну напругу U характеризують три показники: сталий струм, початкова швидкість зміни струму і постійна часу ланцюга; при цьому сталий струм і початкова швидкість зміни струму залежать від напруги, а постійна часу ланцюга, що характеризує тривалість перехідного процесу, від напруги не залежить (рис.3.11).

Відключення котушки індуктивності від джерела постійної напруги

Відключення приймачів електричної енергії від джерела або від мережі здійснюється розривом ланцюга в одній або декількох крапках. Зустрічаються випадки, коли елементи ланцюга, що мають велику індуктивність, при розриві ланцюга одночасно замикаються накоротко, або на розрядний опір.

При розмиканні електричного ланцюга з котушкою індуктивності (рис.1.4,а) у момент розриву ланцюга напруга між контактами вимикача В, що розходяться, різко збільшується від нуля до U+ U _L. Швидкість зміни струму у момент розриву ланцюга , тому величина  може бути досить великою. Повітряний проміжок між контактами пробивається і утворюється іскра, за рахунок чого струм в ланцюзі зберігається якийсь час після початку розриву контактів.

При великій потужності джерела іскровий розряд може перейти у дуговий; для гасіння електричної дуги вимикаючі апарати, як правило, забезпечуються дугогасильними пристосуваннями.

В деяких випадках (наприклад, при виключенні обмоток збудження електричних машин) напруга може досягати величин, небезпечних для ізоляції. Значного підвищення напруги можна уникнути, якщо одночасно з відключенням індуктивної котушки від джерела замкнути її на розрядний опір (рис.1.4,б).

Перехідний процес в замкнутому контурі «котушка–розрядний опір» відрізняється від процесу в ланцюзі рис.1.4,а тим, що швидкість зміни струму  залежить від параметрів ланцюга R і L.

Після відключення ланцюга від джерела енергії (рис.1.4,б) в короткозамкнутому контурі, що утворився, струм не може зменшитися миттєво до нуля, а підтримується протягом перехідного періоду, поки енергія магнітного поля котушки не зменшиться до нуля (в активному опорі ланцюга R при цьому здійснюється необоротний процес перетворення електричної енергії у теплову).

Зміна опору в ланцюзі з індуктивністю

При включенні котушки індуктивності, що має параметри R і L, опір ланцюга зменшується стрибком від ∞ до R, а при виключенні воно збільшується від R до ∞. Відповідно до таких змін опору струм в ланцюзі за час перехідного періоду збільшується від 0 до I або зменшується від I до 0.

При стрибкоподібній зміні опору ланцюга в кінцевих межах теж виникає перехідний процес, який у загальних рисах подібний вже розглянутим процесам.

Другий закон комутації застосовується до ланцюгів, що містять ємність:

u (t = - 0) =u (t = + 0),

тобто, напруга на ємності не може змінитися стрибком; напруга на ємності в перший момент перехідного періоду (при t = + 0) залишається такою, яким вона була в останню мить попереднього сталого режиму(при t = - 0).

Електричний стан ланцюга (рис.1.5) у будь-який момент перехідного періоду характеризується рівнянням, складеним за другим законом Кірхгофа:

U = U _с + U _R = u_c + iR = U _с + i C(du_c/dt).

Процес заряду конденсатора

Аналіз процесу зарядки конденсатора від джерела постійної напруги багато в чому співпадає з аналізом перехідного процесу після включення котушки на постійну напругу, оскільки рівняння електричного стану є аналогічними.

Графіки залежності напруги на конденсаторі u_C і зарядного струму i_з від часу зображені на рис.1.6.

Постійна часу ланцюга (τ = RC) є показником тривалості перехідного процесу і залежить від параметрів ланцюга R і С.

Конденсатор знаходиться під дією вимушеної і вільної складових напруги

u_С = u_{С пр} + u_{С cв} = U + ,

а зарядний струм складається тільки з вільної складової

,

оскільки а вимушена складова відсутня: i_пр = i_у = 0.

Вплив величини напруги джерела і параметрів ланцюга

Перехідний процес при зарядці конденсатора від джерела постійної напруги характеризують три показники: стала напруга на конденсаторі, початкова швидкість зміни напруги, постійна часу; при зміні напруги джерела змінюються стала напруга на конденсаторі і початкова швидкість зміни напруги, а постійна часу ланцюга від напруги не залежить. На рис.1.7 приведені (відповідно двом різним напругам джерела U₁ і U₂ ) графіки зміни напруги на конденсаторі.

Зміна ємності впливає на тривалість перехідного процесу так само, як зміна опору (рис.1.9).

 

Перехідний процес при розряді конденсатора

Після перемикання перемикача конденсатор не може розрядитися миттєво, тобто напруга u_C не може зменшитися стрибком до нуля, а підтримується протягом перехідного періоду за рахунок енергії, накопиченої в електричному полі конденсатора; при цьому в активному опорі R здійснюється необоротний процес перетворення електричної енергії в теплову..

Напруга на конденсаторі при розрядці виражається рівнянням

,

де..τ = RC – постійна часу ланцюга.

Тривалість перехідного процесу, як і при зарядці, теоретично рівна нескінченності, а практично розрядка вважається закінченою при t = (4÷5) τ.

Використовуючи різні варіанти з'єднання активного опору R і реактивних компонентів (L і C) будуються диференціюючи і інтегруючі ланцюги, які знаходять широке застосування для формування різного роду імпульсних сигналів у вимірювальній, цифровій і біомедичній апаратурі.

Диференціюючи ланцюги

Диференціюючими звуться електричні ланцюги, в якому вихідна величина пропорційна похідною від вхідної величини. Простими ланцюгами що диференціюють можуть служити ланцюги, до складу яких входить резистор з конденсатором, або резистор з котушкою індуктивності.

У ланцюгу, до складу яких входить резистор з конденсатором

Приймаючи u_c(t) за вхідну величину, а струм i_c(t) - за вихідну, одержимо ланцюг що диференціює.

У ланцюгу, до складу яких входить резистор з котушкою індуктивності

Приймаючи i_L(t) за вхідну величину, а u_L(t) - за вихідну, одержимо ланцюг що диференціює.

Використовувати струм як вхідну або вихідну величину практично скрутно, оскільки в першому випадку необхідно мати стабільне джерело струму, а в другому для його вимірювання необхідно включити послідовно додатковий опір, який робить вплив на перехідній процес в ланцюзі. Отже, вхідною і вихідною величинами доцільно вибирати напруги, при цьому використовуються rC-и rL-ланцюги

На практиці широкого поширення набув rC-ланцюг.

Умова, при якій rC-ланцюг виконує операцію диференціювання, витікає з рівняння

u₁(t) = u_с(t) + u_r(t).

Якщо прийняти

u_r(t) << u_с(t),

то

u_с(t) ≈ u₁(t).

При не синусоїдальній формі напруги u_1(t) умова диференціювання повинна бути виконана для всіх гармонійних складових вхідного сигналу. При цьому умовою диференціювання є

де ωВ – частота найвищої гармоніки, якої не можна нехтувати.

Наприклад, крива напруги прямокутної форми визначається за допомогою ряду

Найвищою розрахунковою частотою звичайно вважають частоту 11-й гармоніки. Тому

Ідеальне диференціювання прямокутного імпульсу показане на рис.1.12 а, и б. Амплітуда вихідного сигналу u2(t) нескінченно велика.

Графік напруги u_2(t) на вході та виході реального ланцюга що диференціює показаний рис. 1.13.

Рисунок 1.13 – Графік напруги реального ланцюга що диференціює

Напруга u2(t) є імпульсами експоненціальної форми з полярністю, що чергується. За тривалість вихідного імпульсу приймають час, рівний потрійному значенню постійного часу ланцюга tu вих ≈ 3τ. Амплітуда імпульсів рівна величині вхідної напруги.

Порівняння тимчасових діаграм реального і ідеального ланцюга що диференціює показує, що при зменшенні τ тривалість імпульсів u2(t) скорочується і крива u2(t) прагне формою до похідної вхідної напруги. Диференціюючи ланцюги називаються також, ланцюгами що укорочують, оскільки тривалість вихідних імпульсів значно менша, ніж вхідних.

Інтегруючи ланцюги

Інтегруючим називається електричний ланцюг, в якому вихідна величина пропорційна інтегралу від вхідної величини (мал. 1.14). Широке застосування на практиці одержав інтегруючий rC-ланцюг.

Напруга на виході ланцюга

Якщо напруга на конденсаторі складає малу частину від напруги на опорі, то струм i(t) в ланцюзі буде пропорційний вхідній напрузі:

отже,

Отже, при виконанні умови

u_c << u_r або u₁ ≈ u_r

ланцюг rC є інтегруючим.

При не синусоїдальному сигналі умова повинна виконуватися для гармонійної складової найменшої частоти ω_H, тобто частоти повторення вхідного сигналу. На практиці не обходжений виконати умову

Як приклад розглядається вихідна напруга інтегруючого rC-ланцюга при дії на вхід прямокутного імпульсу (рис. 1.15, а).

Вихідна напруга на місткості в інтервалі часу від t1 до t2 змінюється згідно із законом

Максимальна напруга на виході

За умови, що постійна часу τ ланцюги більше тривалості вхідного імпульсу, вихідна напруга на ділянці 2 1 t t − змінюється майже по лінійному закону, тобто вихідна напруга є інтегралом вхідної напруги прямокутної форми.

Слід зазначити, що чим більше τ, тим точніше виконується операція інтеграції (закон лінійності), але вихідна напруга по величині значно менше за вхідну (рис. 1.15, в).

Час t u вих вимірюється на рівні 0,1U m вих, як це показано на рис. 1.15, б.

3.4 Порядок виконання роботи

1. Запустити на комп'ютері програму Electronics Workbench.

2. Зібрати в програмі Electronics Workbench схему відповідно до рис.1

Об’єктом дослідження є ланцюг, який утворюються із джерела напруги U, конденсатора С1, котушки індуктивності L1 та резисторів R1, R2. Перемикачі (ключі) К1, К2, К3 і К4 забезпечують комутацію схеми на той чи інший досліджуваний реактивний двополюсник і дають можливість організувати спостереження осцилограм і вимірювання струмів та напруг на різних ділянках ланцюга.

3. Підключити до досліджуваного ланцюга за допомогою ключа К1 генератор прямокутних імпульсів (зміна положення ключа здійснюється натисненням клавіші «G» на клавіатурі).

 4. Для дослідження RC-ланцюга за допомогою ключа К2 (натисненням клавіші 1 на клавіатурі) під’єднується конденсатор С1. Ключ К3 встановлюється (натисненням клавіші I на клавіатурі) у положення, що забезпечує режим спостереження і вимірювання параметрів вхідного сигналу, який подається на ланцюг. Ключ К4 встановлюється у нижнє (за схемою) положення для забезпечення режимів спостереження і вимірювання параметрів струму ланцюга. Зміна положення ключа К4 здійснюється натисненням клавіші «О» на клавіатурі.

 Включити схему за допомогою перемикача, або, натиснувши на клавіатурі Ctrl+G. Дочекатися появи зображення на екрані віртуального осцилографа і замалювати осцилограми вхідної напруги і струму конденсатора. Вимкнути схему, натиснувши на клавіатурі Ctrl+Т.

Визначити параметри змальованих сигналів (амплітуду, тривалість, період). За осцилограмами визначити тривалість перехідного процесу у досліджуваному ланцюзі і розрахувати постійну часу досліджуваного ланцюга. Приклад осцилограми (на екрані віртуального осцилографа) приведено на рис. 1.17.