Task 3. Determination of the phase relationships between current and voltage

In elements of r, c and l circuit

Objective:

1. Determination of phase relations - the absence or presence of a phase shift and its magnitude between the current (I) and voltage (U) in the circuit elements: the active resistance (R), a capacitor (C) and inductance (L)

2. Formation and consolidation of modeling skills in Electronics Workbench.

Task will be executed in three stages - in section A study conducted in the chain of active resistance, in section B - the chain includes an inductor and a section in the analysis of a phase shift in the circuit with a capacitor.

Задание 3. Определение фазовых соотношений между током и напряжением

в элементах R, С и L электрической цепи

Цель исследования:

1. Определение фазовых соотношений – отсутствие или наличие сдвига по фазе и его величину между током (I) и напряжением (U) в элементах электрической цепи: в активном сопротивлении (R), в конденсаторе (С) и в индуктивности (L)

2. Формирование и закрепление навыков моделирования в Electronics Workbench.

Задание выполняется в три этапа – в разделе А исследования проводятся в цепи с активным сопротивлением, в разделе Б – цепь включена катушка индуктивности и в разделе В анализируется сдвиг по фазе в цепи с конденсатором.

Method of research:

• assembly and modeling of an electrical circuit on the basis of Electronics Workbench;

• a graphical representation of simulation results in Mathcad, Excel and Matlab;

• empirical analysis of the current on the parameters of the circuit.

Section A. The study of phase relations between I and U in the resistor

1. Gather at the working area Electronics Workbench electrical schematic diagram consisting of:

- AC voltage (V1, f),

- two series-connected resistors - R1 researched and measuring

Indeed R2 (R1>> R2),

- ХММ1 ammeter to measure the rms current in the circuit,

- volmetra ХММ2 to measure the voltage across the test resistor R1,

- dual-beam oscilloscope waveforms to remove voltage on the R1 and R2.

Методика исследования:

• сборка и моделирование электрической цепи на основе Electronics Workbench;

• графическое представление результатов моделирования в Mathcad, Exсel и Matlab;

• анализ эмпирических зависимостей тока от параметров электрической цепи.

Раздел А. Исследование фазовых соотношений между I и U в резисторе

1. Соберите на рабочем поле Electronics Workbench принципиальную электрическую схему в составе:

– источника переменного напряжения (V1, f ),

– двух последовательно включённых резисторов – исследуемого R1 и измери-

тельного R2 (R1>> R2),

– амперметра ХММ1 для измерения действующего значения тока в цепи,

– вольметра ХММ2 для измерения напряжения на исследуемом резисторе R1,

– двухлучевого осциллографа для снятия осциллограмм напряжений на R1 и R2.

Measuring resistor R2 provides a measure of current in the circuit (indirectly on the voltage produced by the current across the resistor - resistor famous par).

Nominal values ​​of V1, f, R1 and R2, and C1 and L1 are defined option assignments and are given in Appendix П3.

2. Turn on your electric circuit simulation and get the result of measuring effective values ​​of current in the circuit and the voltage across the test resistor R1. Copy the fundamental electrical and instrument readings in your report on Task 3 (Word-document).

3. By varying the duration of the sweep and the sensitivity of channels A and B of the oscilloscope, the US-tanovite clear images on the screen curves of stresses on the resistors R1 and R2, allowing do an objective job. Clue how to do this is shown in Fig. 3.1; description of Pan-li oscilloscope Electronics Workbench, see "EWV-teaching materials. "

4. Determine the period of the waveform and amplitude values ​​of sinusoidal stresses on the resistors with a line-cursor. Calculate the value of the period from the known physics of dependence

Измерительный резистор R2 обеспечивает измерение тока в цепи (косвенно по величине напряжения, создаваемого током на сопротивлении – резисторе известного номинала).

Значения номиналов V1, f, R1 и R2, а также С1 и L1 определяются вариантом задания и приведены в Приложении П3.

2. Включите моделирование Вашей электрической цепи и получите результат измерения действующих значений тока в цепи и напряжения на исследуемом резисторе R1. Копируйте принципиальную электрическую схему и показания приборов в Ваш отчёт по заданию 3 (Word-документ).

3. Изменяя длительность развёртки и чувствительность каналов А и В осциллографа, установите на экране чёткие изображения кривых напряжений на резисторах R1 и R2, позволяющие выполнить цель задания. Подсказка, как это сделать, приведена на рис. 3.1; описание панели осциллографа Electronics Workbench смотри в «ЕWВ-методические материалы».

4. Определите по осциллограмме период и значения амплитуд синусоидальных напряжений на резисторах с помощью линии-курсора. Рассчитайте значение периода по известной из физики зависимости.

Fig. 3.1. Осциллограммы напряжений на резисторах R1 и R2

5. Compare the amplitude and operating voltages and determine the coefficient of conversion in Um Ud for the AC sine wave form

6. Draw a conclusion about the phase shift of voltage and current in the circuit.

Section B. The study of phase relations between I and U in the condenser

1. On the working area Electronics Workbench, modify the principle an electric circuit, replacing the monitoring resistor R1 capacitor C1, resistor R2 is to measure the current in the circuit (indirectly on the voltage produced by the current in the resistance of the Research Institute - known resistor of nominal).

2. Turn on your electric circuit simulation and get the result of measuring effective values ​​of current in the circuit and the voltage across the test capacitor C1. Copy the fundamental electrical and instrument readings in your report on Task 3 (Word-document).

3. Set clear images on the screen curves the stress on the elements of C1 and R2, allowing for goal setting. Copy the waveforms in your report on Task 3.

4. Determine the period of the waveform and amplitude values ​​of sinusoidal stresses on the resistors with a line-cursor.

5. Determine the phase shift of voltage and current in the circuit.

6. On the basis of Ohm's law, find the capacitance of the capacitor C1 for the parameters of your schema. Make sure that the value of CS coincides with the theoretical calculated well-known formula (see Reference 2).

The coincidence of the values ​​of capacitance circuit - prepared to experiment and you-numerical theory - confirms the correctness of the research and correct sequence of results.

6. Сравните амплитудные и действующие значения напряжений и определите коэффициент пересчёта U_m в U_d для переменного напряжения синусоидальной формы.

7. Сделайте вывод о сдвиге фаз напряжения и тока в исследуемой цепи.

Раздел Б. Исследование фазовых соотношений между I и U в конденсаторе

1. На рабочем поле Electronics Workbench внесите изменения в принципиальную электрическую схему, заменив исследуемый резистор R1 конденсатором С1; резистор R2 остаётся для измерения тока в цепи (косвенно по величине напряжения, создаваемого током на сопротивлении – резисторе известного номинала).

2. Включите моделирование Вашей электрической цепи и получите результат измерения действующих значений тока в цепи и напряжения на исследуемом конденсаторе С1. Копируйте принципиальную электрическую схему и показания приборов в Ваш отчёт по заданию 3 (Word-документ).

3. Установите на экране чёткие изображения кривых напряжений на элементах С1 и R2, позволяющие выполнить цель задания. Копируйте осциллограммы в Ваш отчёт по заданию 3.

4. Определите по осциллограмме период и значения амплитуд синусоидальных напряжений на резисторах с помощью линии-курсора.

5. Определите значение сдвиг фаз напряжения и тока в исследуемой цепи.

6. На основе закона Ома найдите ёмкостное сопротивление конденсатора С1 для параметров Вашей схемы. Убедитесь, что полученное значение Х_С совпадает с теоретическим, вычисленным по известной формуле (см. Задание 2).

Совпадение значений ёмкостного сопротивления цепи - полученного в эксперименте и вычисленного теоретически – подтверждает корректность проведенных исследований и правильность полученных результатов.

Section B. The study of phase relations between I and U in the inductance

1. On the working area Electronics Workbench, modify the principle an electric circuit, replacing the analyzed capacitor C1 inductor L; resistor R2 is to measure the current in the circuit (indirectly on the voltage produced by the current across the resistor - resistor famous par).

2. Turn on your electric circuit simulation and get the result of measuring rms current in the circuit and the voltage on the study of inductance L1. Copies, those fundamental electrical and instrument readings in your report on Task 3 (Word-document).

3. Set clear images on the screen curves the stress on the elements of the L1 and R2, allowing for goal setting. Copy the waveforms in your report on Task 3.

4. Determine the period of the waveform and amplitude values ​​of sinusoidal stresses on the resistors with a line-cursor.

5. Determine the phase shift of voltage and current in the circuit.

6. On the basis of Ohm's law, find inductive reactance L1 for the parameters of your schema. Make sure that the value of X_L is identical to the theoretical, calculated on from well-known formula (see Reference 2).

The coincidence of induced drag chain - resulting in the experiment and calculated theoretically - confirms the correctness of the research and correct sequence of results.

Раздел В. Исследование фазовых соотношений между I и U в индуктивности

1. На рабочем поле Electronics Workbench внесите изменения в принципиальную электрическую схему, заменив исследуемый конденсатор С1 катушкой индуктивности L; резистор R2 остаётся для измерения тока в цепи (косвенно по величине напряжения, создаваемого током на сопротивлении – резисторе известного номинала).

2. Включите моделирование Вашей электрической цепи и получите результат измерения действующих значений тока в цепи и напряжения на исследуемой индуктивности L1. Копируйте принципиальную электрическую схему и показания приборов в Ваш отчёт по заданию 3 (Word-документ).

3. Установите на экране чёткие изображения кривых напряжений на элементах L1 и R2, позволяющие выполнить цель задания. Копируйте осциллограммы в Ваш отчёт по заданию 3.

4. Определите по осциллограмме период и значения амплитуд синусоидальных напряжений на резисторах с помощью линии-курсора.

5. Определите значение сдвиг фаз напряжения и тока в исследуемой цепи.

6. На основе закона Ома найдите индуктивное сопротивление L1 для параметров Вашей схемы. Убедитесь, что полученное значение Х_L совпадает с теоретическим, вычисленным по известной формуле (см. Задание 2).

Совпадение значений индуктивного сопротивления цепи - полученного в эксперименте и вычисленного теоретически – подтверждает корректность проведенных исследований и правильность полученных результатов.

Report design

The report is in the form of Word-document, the text is structured and includes:

1. The purpose of the study (that study).

2. The composition of the original data in accordance with the specified option.

3. The principal electrical circuit - EWV copies of files and explanatory text to them.

4. Readings in the form of copies from the EWVfile and an explanatory text to them.

5. All listed in the job computation formulas and outcomes.

6. The results of the analysis of waveforms

7. Clear, literate findings of the research.

8. List of illustrations from task 3, includes a presentation on computer practice.

Оформление отчёта

Отчёт составляется в виде Word-документа, текст структурируется и содержит:

1. Цель исследования (что исследуется).

2. Состав исходных данных в соответствии с заданным вариантом.

3. Принципиальные электрические схемы - копий с ЕWВ-файлов и пояснительный текст к ним.

4. Показания приборов в виде копий с ЕWВ-файла и пояснительный текст к ним.

5. Все указанные в задании вычисления с формулами и конечными результатами.

6. Результаты анализа осциллограмм

7. Чёткие, грамотные выводы по результатам исследований.

8. Перечень иллюстраций из задания 3, включаемых в презентацию по компьютерной практике.

Приложение П3