М инистерство образования и науки Украины

С евастопольский национальный технический университет

Методические указания

к лабораторному практикуму

по дисциплине

Теория электрических и электронных цепей

для студентов дневной и заочной форм обучения направления 6.0508 «Микро- и наноэлектроника»

Часть 1 – Методы расчета цепей постоянного тока Севастополь

2012

УДК 004.021

Методические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине «Теория электрических и электронных цепей» для студентов дневной и заочной форм обучения направления 6.0508 «Микро- и наноэлектроника»:/ А.С. Паранюк, Д.Г. Мурзин — Севастополь: Изд-во СевНТУ, 2011.: Методы расчета цепей постоянного тока. — 89 с.

Целью методических указаний является оказание помощи студентам в подготовке к выполнению лабораторных работ по дисциплине «Теория электрических и электронных цепей».

Методические указания предназначены для студентов 3‑го курса, обучающихся по направлению «Микро- и наноэлектроника».

Методические указания рассмотрены и утверждены на заседании кафедры электронной техники (протокол № 5 от 04 ноября 2012 г.).

Рецензент: Астраханцев Александр Владимирович, канд. техн. наук, доцент кафедры электронной техники.

СОДЕРЖАНИЕ

Требования к оформлению отчета к лабораторной работе…….6

Лабораторная работа № 1. Ознакомление с пакетом программы Electronics Workbench. Исследование источников постоянного напряжения и тока..…………………..........................................XX

Лабораторная работа № 2. Исследование простых линейных электрических цепей постоянного тока……………………….XX

лабораторная работа № 3. Метод непосредственного применения законов Кирхгофа …………………….…………. XX

Лабораторная работа № 4. Применение метода контурных токов для расчета электрических цепей на постоянном токе …… XX

Лабораторная работа № 5. Применение метода узловых потенциалов для расчета электрических цепей на постоянном токе …………………………….…………………….………… XX

Библиографический список……………………………………XX

Приложение А. ……………………………XX

ТРЕБОВАНИЯ К ОФОРМЛЕНИЮ ОТЧЕТА К ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ

Отчет о выполнении лабораторной работы оформляется на стандартных листах формата А4. Расположение листов – вертикальное. Поля: левое 2 см, верхнее 2 см, нижнее 1 см, правое 1 см. Отчет следует оформлять в редакторе Microsoft Word.

Отчет должен включать в себя титульный лист с указанием номера и темы лабораторной работы; цель работы и индивидуальное задание; исследуемую электрическую схему; результаты (экранные формы) моделирования и расчеты; выводы по работе.

Лабораторная работа № 1 Тема: «Ознакомление с пакетом программы Electronics Workbench. Исследование характеристик источников постоянного напряжения и тока»

Цель работы – знакомство с интерфейсом программного пакета Electronics Workbench. Получение практических навыков экспериментальных исследований электрических цепей содержащих независимые и управляемые источники постоянного напряжения и тока.

Теоретические сведения

1.1. Основы работы с пакетом Electronics Workbench

1.1.1. Назначение программного пакета

При разработке изделий электронной техники широко применяется физическое или математическое моделирование. Физическое моделирование связано с большими материальными затратами, поскольку требуется изготовление макетов и их трудоемкое исследование, а зачастую попросту невозможно ввиду сложности устройств. Математическое моделирование связано с использованием программных средств и методов вычислительной техники.

Программа Electronics Workbench (EWВ), предназначена для схемотехнического моделирования аналоговых и цифровых радиоэлектронных устройств различного назначения. Программа EWB обладает простым и легко осваиваемым пользовательским интерфейсом, достаточными возможностями для проведения моделирования простых и средних по сложности схем, а так же наличию контрольно – измерительных приборов, максимально приближенных к их естественным аналогам.

Применение пакета EWВ позволяет решить и такие проблемы как экономия материальных и финансовых средств, затрачиваемых на лабораторное оборудование и его обслуживание; значительное сокращение времени на подготовку и проведение лабораторных работ; проведение экспериментов, не доступных на обычном лабораторном оборудовании; приобретение навыков и приемов автоматизированного проектировании.

1.1.2 Программный интерфейс и состав библиотек компонентов EWB.

На рис. 1.1 представлен вид рабочего окна Electronics Workbench версии 5.12

Рис. 1.1 - Вид рабочего окна Electronics Workbench

В рабочем поле программы располагается моделируемая схема с подключенными к ней иконками контрольно-измерительных приборов. При необходимости каждый из приборов может быть развернут для установки режимов его работы и наблюдения результатов. Линейка прокрутки используется только для перемещения схемы.

Диалоговое окно программы содержит так же две стандартные строки панели инструментов и панели компонентов с стандартным набором пиктограмм (кнопок) наиболее употребительных команд (рис. 1.2).

Строка панели инструментов

Строка панели компонентов

Рис. 1.2 – Вид панелей инструментов и компонентов.

Процесс создания схемы начинается с размещения на рабочем поле компонентов из панели компонентов. Эта панель содержит следующие разделы:

1. Sources – источники сигналов, в том числе и управляемые источники. В данный раздел входят источники ЭДС, тока, модулированных сигналов и т.д.

2. Basic – раздел, в котором собраны все пассивные компоненты (резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности и т.д.) и коммутационные устройства.

3. Diodes – диоды.

4. Transistors – транзисторы.

5. Analog ICs – аналоговые микросхемы: операционные усилители, компаратор и т.д.

6. Mixed ICs – микросхемы смешанного типа: АЦП, ЦАП и т.п.

7. Digital ICs – цифровые микросхемы.

8. Logic Gates –логические цифровые микросхемы.

9. Digital – цифровые микросхемы: комбинированные цифровые компоненты и триггеры.

10. Indicators – индикаторные устройства. Включают в себя вольтметры, амперметры и т.д.

11. Controls – аналоговые вычислительные устройства: сумматор, интегратор, ограничитель тока, дифференциатор масштабирующее звено, формирователь передаточной функции и т.д.

12. Miscellaneous – компоненты смешанного типа.

13. Instruments – контрольно–измерительные устройства: мультиметр, функциональный генератор, осциллограф .

Ниже показаны примеры настроек и внешнего вида основных классов измерительных приборов и источников сигнала:

• Источник э.д.с. гармонического тока (AC Voltage Source) из раздела Sources имеет следующие основные настройки (рис. 1.3):

1. напряжение (э.д.с.) (действующее значение), В

2. линейная частота, Гц

3. начальная фаза, 

• 2-х канальный осциллограф (Oscilloscope) из раздела Instruments (рис. 1.4)

1. Органы управления:

2. -развёртка, с/дел;

3. -усиление, В/дел;

4. -смещение по осям Х,Y;

5. -АС – закрытый вход;

6. -0 – ┴

7. -Expand – увеличение

Рис. 1.3 – панель настроек источника ЭДС

Рис. 1.4 – настройки 2-х канального осциллографа

• Основные параметры вольтметра (Voltmeter) из раздела Indicators (рис. 1.5):

1. входное сопротивление;

2. виды напряжения:

1. AC – переменное

2. DC – постоянное

• Функциональный генератор (Function Generator, раздел Instruments)

Параметры сигнала (рис.1.6):

1. форма сигнала (синус, треуг., прямоуг.);

2. линейная частота, Гц;

3. Duty cycle: , %;

4. амплитуда A, В;

5. постоянная составляющая

Рис. 1.5 – настройки 2-х канального осциллографа

Рис. 1.6 – параметры сигнала функционального генератора

1.1.3 Проведение моделирования работы электрической цепи в среде EWB.

В общем случае процесс создания схемы начинается с размещения на рабочем поле EWВ компонентов из библиотек программы в соответствии с поставленной задачей.

Необходимый для создания схемы значок компонента переносится из каталога на рабочее поле программы движением мыши при нажатой левой кнопке, после чего кнопка отпускается (для фиксирования символа). Для задания параметров компонентов (сопротивление резистора, параметры источника и т.д.) производится двойной щелчок по значку компонента, и в раскрывающемся диалоговом окне устанавливаются требуемые параметры, после чего выбор подтверждается нажатием кнопки «Ok» или клавиши «Enter». На этом этапе необходимо предусмотреть место для размещения контрольных точек и иконок контрольно-измерительных приборов.

После размещения компонентов производится соединение их выводов проводниками. При этом необходимо учитывать, что к выводу компонента можно подключить только один проводник. Для выполнения подключения необходимо выделить один из выводов компонента левой кнопкой мыши и не отпуская ее соединить с выводом требуемого компонента.

Если соединение необходимо разорвать, курсором выделяется необходимый проводник и нажимается кнопка «Delete». Если необходимо подключить вывод к имеющемуся на схеме проводнику, то проводник от вывода компонента курсором подводится к указанному проводнику и после появления точки соединения кнопка мыши отпускается.

Подключение к схеме контрольно–измерительных приборов производится аналогично. Причем для таких приборов, как осциллограф или логический анализатор, соединения целесообразно проводить цветными проводниками, поскольку их цвет определяет цвет соответствующей осциллограммы. Изменить цвет проводника можно, дважды щелкнув на нем левой кнопкой мыши и выбрав соответствующий цвет в появившемся диалоговом окне.

О бязательным на схеме является наличие элемента общего привода, который находится в разделе «Sources». Включение/выключение моделирования работа схемы осуществляется кнопкой . На рис. 1.7 представлен пример создания схемы, состоящей из источника переменного гармонического напряжения , индуктивности номиналом 125 мГн, сопротивления номиналом 50 Ом и осциллографа . В этом же поле выведено изображение на экране осциллографа:

Рис. 1.7 – пример сборки схемы для исследования.

1.1.4. Активные элементы электрических цепей.

Элементы электрических цепей (ЭЦ) можно разделить на активные и пассивные. К активным элементам относятся элементы генерирующими электрическую энергию, в качестве которых выступают идеализированные независимые и зависимые (управляемые) источники напряжения и тока.

Независимыми источниками напряжения (рис.1.8) называют такие источники электрической энергии, напряжение на зажимах которых не зависит от тока, протекающего через них. Внутреннее сопротивление таких источников равно нулю. Независимыми источниками тока (рис.1.9), называют такие источники электрической энергии, ток которых не зависит от напряжения на его зажимах. Внутреннее сопротивление таких источника равно бесконечности.

а) б) в)

Рис. 1.8 – Обозначение независимых источников напряжения: а) Украина; б) США; в) Германия

Рис. 1.9 – Обозначение независимых источников тока:

а) Украина; б) США; в) Германия

Основной характеристикой источника напряжения и тока является его внешняя характеристика, представляющая зависимость напряжения на его зажимах от протекающего через него тока U(I). Внешние характеристики идеализированных источников напряжения и тока приведены на рис. 1.9.

Рис. 1.9 – Внешние характеристики источника постоянного:

а - напряжения; б – тока.

В отличие от независимых идеализированные зависимые источники энергии имеют не одну пару зажимов, а две: входную управляющую и выходную, т.е. зависимые источники являются четырёхполюстниками. Различают зависимые источники напряжения и зависимые источники тока (табл.1.1).

Коэффициент пропорциональности К_i называется коэффициентом управления, которым в зависимости от типа источника может иметь размерность сопротивления (ИНУТ), проводимости (ИТУН) или быть безразмерной величиной. Если управляющее воздействие такого источника равно нулю, то на выходе такого источника будет равно нулю напряжение или ток. Каждый активный элемент (подобно пассивному) характеризуется только одним параметром – напряжением или током на его выходных зажимах.

С помощью идеализированных активных и пассивных элементов, можно промоделировать любой реальный элемент электрической цепи – представить его в виде схемы замещения, которая с достаточной для данного элемента точностью отражает процессы, происходящие в таком элементе.

Таблица 1.1 – Зависимые источники напряжения и тока

Наименование	Обозначение	Ki
Источник напряжения управляемый напряжением (ИНУН)	U1 U2=K1U1	U2/U1
Источник напряжения управляемый током (ИНУТ)	I1 U2=K2I1	U2/I1
Источник тока управляемый напряжением (ИТУН)	U1 I 2=K3U1	I2/U1
Источник тока, управляемый током	I1 I2=K4I1	I2/I1

Реальный источник электрической энергии можно представить двумя схемами замещения: последовательной (рис.1.10, а) и параллельной (рис.1.10, б)

а)

Рис.1.10 – Схемы замещения реальных источников

Последовательная схема замещения реального источника (Рис.1.10,а) содержит последовательные соединения источника ЭДС (e,E) и внутреннего сопротивления R_вн. Параллельная схема замещения реального источника (Рис.1.10,б) содержит параллельное соединение источника тока (i,J) и внутренней проводимости G_вн=1/ R_вн. Обе схемы эквиваленты и в конкретных случаях пользуются той схемой замещения реального источника электрической энергии, которая позволяет проще и быстрее решить поставленную задачу.

В нешняя характеристика реального источника U(I)=E-R_внI= J/G_вн-I/G_вн=( J-I)/G_вн апроксимируется прямой линией (рис.1.11)

Рис.1.11 – Внешняя характеристика реального источника

В

Rвн

простейшем случае к реальному источнику подключается сопротивление нагрузки R_н (рис.1.12, а).

а)

Рис.1.12. Схема нагруженного реального источника (а) и

его нагрузочные характеристики (б).

В сопротивлении нагрузки R_н ток I, напряжение U_н, мощность P_н и к.п.д. источника  определяются по формулам:

; ; ; .

В режиме холостого хода (ХХ) источника R_н=∞ и в режиме короткого замыкания (К3) R_н=0 мощность в нагрузке не выделяется (P_н=0). Максимальная мощность в сопротивлении нагрузки выделяется при согласованном режиме работы, когда сопротивление нагрузки равно внутреннему сопротивлению источника (R_н=R_вн):

.

При этом к.п.д. источника будет равен =0,5=50%. В связи с таким низким к.п.д. согласованный режим широко применяется в проводной электросвязи, где используются малые мощности (до 10 Вт). В электротехнических установках большой мощности применяется режим работы, при котором R_нR_вн, при этом достигается высокий коэффициент полезного действия системы передачи.

Порядок выполнения лабораторной работы: