ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет»
Кафедра радиотехники
107-2017
МЕТОДИЧЕСКОЕ РУКОВОДСТВО
к лабораторным работам № 2 и № 7 по дисциплине" Электротехника и электроника"
для студентов направления подготовки 11.03.03 «Конструирование и технология электронных средств» (направленность «Проектирование и технология
радиоэлектронных средств») очной формы обучения
|
λ |
|
λ |
|
|
|
|
e(t) |
RН |
e(t) |
RН |
|
x |
|
x |
Воронеж 2017
Составители: канд. техн. наук Б.В. Матвеев, д-р техн. наук В.Н. Поветко, д-р техн. наук И.И. Малышев
УДК 621.396 ББК 32.85 я7
Методическое руководство к лабораторным работам № 2
и№ 7 по дисциплине "Электротехника и электроника" для студентов направления подготовки 11.03.03 «Конструирование
итехнология электронных средств» (направленность «Проектирование и технология радиоэлектронных средств») очной формы обучения / ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет»; сост. Б.В. Матвеев, В.Н. Поветко, И.И. Малышев. Воронеж, 2017. 21 с.
Вработе изложены методические указания и порядок выполнения лабораторных работ “Процессы в RC-цепи при гармоническом воздействии” и “Исследование стационарных процессов в длинной линии”. Приводятся краткие теоретические сведения, схемы, лабораторные задания, контрольные вопросы.
Предназначено для студентов второго курса.
Ил. 21. Библиогр.: 2 назв.
Рецензент канд. техн. наук, доц. В.П. Литвиненко
Ответственный за выпуск зав. кафедрой канд. техн. наук, доц. Б.В. Матвеев
Печатается по решению учебно-методического совета Воронежского государственного технического университета
ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет», 2017
2
УКАЗАНИЯ ПО ТЕХНИКЕ БЕЗОПАСНОСТИ
Режим техники безопасности определяется общими правилами, установленными для лабораторных работ на кафедре радиотехники. В частности, в процессе выполнения лабораторной работы запрещается вскрывать панели лабораторного стенда и производить самостоятельно отключение и включение сетевых шнуров и шлангов измерительных приборов. Включение и выключение высокочастотного генератора осуществляет преподаватель или лаборант. Переключение нагрузок длинной линии производится при выключенной установке. Включать сетевые тумблеры можно только после разрешения преподавателя.
После пятиминутного прогрева приборов можно приступить к выполнению лабораторных экспериментов.
Лабораторная работа № 2
ПРОЦЕССЫ В RC ЦЕПИ ПРИ ГАРМОНИЧЕСКОМ ВОЗДЕЙСТВИИ
Цель работы: изучение процессов в линейной RC-цепи при гармоническом воздействии.
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Линейная электрическая цепь состоит из элементов R, L, C и источника гармонической ЭДС е(t). Соединение элементов R, L, C может быть последовательным и параллельным. Под воздействием источника энергии е(t) в элементах R, L, C протекает гармонический ток i(t). Величины е(t) и i(t) называются мгновенными значениями ЭДС и тока.
При протекании тока i(t) через элементы R, L, C на них образуются соответственно падения напряжения uR(t), uL(t), uC(t). Мгновенное значение ЭДС записывается в виде
е(t) = Emcos(ωt±ϕ0). Здесь Еm – максимальное значение, ω –
угловая частота, ϕ0 – начальная фаза. Графическое изображение е(t) представлено на рис.1.
Наименьший промежуток времени, по истечении которого наблюдается повторение мгновенных значений, называется
периодом Т. Величина f = 1/Т называется циклической частотой и измеряется в герцах, в отличие от угловой частоты ω = 2πf, измеряемой в радианах в секунду.
ϕ0 – начальная фаза, определяемая величиной смещения гармонической функции относительно начала координат, может быть отрицательной, как на рис.1, и положительной, как на рис. 2.
ϕ0<0 e(t)=Emcos(ωt-ϕ0)
Em
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ωt |
||
|
|
|
|
|
|
|
ωt |
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
T |
|
|
Рис. 1 |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
e(t)=Emcos(ωt-ϕ0) |
||||
|
|
|
|
|
|
|
ϕ0>0 |
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
ωt |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 2
Сдвиг гармонического колебания вправо относительно начала координат соответствует отставанию по фазе, а сдвиг влево соответствует опережению по фазе. На рис. 3 показано
2
два напряжения, из которых u1(t) опережает по фазе напряже-
ние u2(t).
Гармоническое колебание u(t) можно представить в виде вектора на плоскости. Так, например, колебание u(t) =
=Umcos(ωt±ϕ) представляется в виде (рис. 4).
u1(t)
u2(t)
0 |
t |
|
Рис. 3
_
Um
|
+ ϕ |
0 |
- ϕ |
_
Um
Рис. 4
Положительная фаза + ϕ откладывается против часовой стрелки, а - ϕ – по часовой стрелке. Совокупность векторов, построенных с соблюдением их взаимной ориентации по фазе, называется векторной диаграммой.
3
Емкость С и индуктивность L на частоте ω обладают так называемыми сопротивлениями для емкости хс = 1/ωC и для
индуктивности хL = ωL.
Под воздействием напряжения u(t) через элементы R, L, C протекает ток i(t). При этом на сопротивлении R фаза тока и фаза напряжения совпадают. На индуктивности L напряжение опережает ток на 900, а на емкости С напряжение отстает от тока на 900.
Для цепи, состоящей из последовательно соединенных R, L, C, используется понятие полного сопротивления Z, которое определяется формулой
Z = 
R2 + (xL − xC )2 .
Действующее значение тока в последовательно соединенной цепи определяется выражением
I = |
E |
= |
|
E |
|
. |
|
Z |
|
|
|
||||
R2 + (xL − xC )2 |
|||||||
|
|
|
|
|
Мгновенное значение напряжения сдвинуто по фазе отно-
сительно фазы тока на определенный угол ϕ = ϕu – ϕi, который можно найти как
ϕ = arctg xL − xC . R
Отсюда фазу тока можно определить как ϕi = ϕu – ϕ.
Для напряжения на элементах R, L, C справедливо равенст-
во
ЕГ = 
UR2 + (UL −UC )2 .
4
Наглядность процессов в цепи иллюстрируется векторной диаграммой. Для случая, когда UL > UC, или то же с амое xL > xC, векторная диаграмма будет выглядеть следующим
образом.
_
UL
_ _ ____ |
|
|
|
|
UR+UC=UL-UC |
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
_ |
ϕi |
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
UR |
|||
_ |
|
|
||
_ |
||||
UC |
|
|
|
I |
Рис. 5
В случае, если цепь состоит только из R и С, векторная диаграмма строится аналогично, только без учета L и выглядит, как показано на рис.6.
_
I
_
UR
_
ϕi Er
_0 UC
Рис. 6
Источник энергии е(t), действующий в цепи, имеет внутреннее сопротивление Ri (рис. 7). Такой источник называется реальным в отличие от идеального (рис. 8), у которого Ri = 0.
5
|
|
|
|
|
|
|
|
e(t) |
|
|
|
|
|
|
|
|
Ri |
|
e(t) |
||||
|
|
U(t) |
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|||
|
|
Рис. 7 |
Рис. 8 |
||||
Реальный источник характеризуется вольт-амперной характеристикой (рис. 9).
Эту характеристику иногда еще называют внешней характеристикой. Она представляет собой прямую линию, пересекающую оси в точках 1 и 2. Точка 1 соответствует режиму х о- лостого хода, а точка 2 – режиму короткого замыкания.
Для определения величины внутреннего сопротивления Ri генератора наиболее удобно подключить к нему внешнее сопротивление Rвн и, изменяя его, получить на нем напряжение, равное половине Е. При этом величина Rвн будет равна Ri.
U
1
UХХ 
2
0 |
IK |
Рис. 9
ЛАБОРАТОРНОЕ ЗАДАНИЕ
1.Установить на генераторе ГЗ–33 напряжение U = 3 В с частотой f = 100 кГц.
2.Установить поочередно с помощью ручек управления осциллографа неподвижную осциллограмму гармонического колебания для I и II каналов (период колебания должен быть равен пяти большим делениям).
6
3. Установить с помощью прибора В7–26 величину резистора R1 равную 1000 Ом.
4. Для наблюдения сдвига фаз собрать схему (рис. 11) из компонентов стенда, которая соответствует схеме (рис. 10), включив дополнительно в схему конденсатор С=4700 Пф.
Г3-33
|
|
C1-77 |
C1 |
I |
II |
Рис.10
5. Определить по осциллографу сдвиг фаз между напряжением на конденсаторе и напряжением на генераторе в цепи, собранной по схеме (рис. 11). Переключатель рода работ С1–
77 должен стоять в положении “→→”. Тумблер “+” под переключателем рода работ установить в положение “+”. Переключатели СИНХРОНИЗАЦИЯ должны быть в вертикальном положении соответственно «+» и «1».
6. Определить из расчета угол ϕ сдвига фаз между токоми напряжением на генераторе, зная, что С=4700 пФ,
R1=1000 Ом, f=100 кГц, используя формулу ϕ = arctg Rx , где x = 2π1fC .
7
Г3-33 |
R1 |
C1-77 |
||
C |
C1 |
I |
II |
|
RШ |
||||
|
|
|
||
Рис. 11
7. Начертить векторную диаграмму (см. рис. 6), учитывая расчеты по п. 6 и измерения по п. 5. Почему отличаются углы сдвига фаз в п. 5 и п. 6?
8. Собрать схему, изображенную на рис. 12. Пунктирной линией на схеме обозначено последующее переключение для измерения UС.
9. Измерить с помощью вольтметра В7–16А (цифровой) величину напряжения генератора UГ и напряжения на емкости
UС.
10. Собрать схему, изображенную на рис. 13, для определения напряжения UR1.
11. Измерить величину напряжения UR1.
12. Проверить выполнение равенства U Г = 
UR2 +UC2 по
проведенным измерениям UГ, UR1 и UC. Почему не соблюдается равенство U Г =UC +UR1 ?
13. Переключить ручку генератора ГЗ–33 “Вых. сопротивление” (переключает преподаватель) в положение выходного сопротивления Ri = 600 Ом. Установить напряжение на выходе 3 В.
8
R1
Г3-33
C1
C
RШ
B7-16A
|
100 V |
|
|
|
|
0 |
|||
|
|
|
|
|
Рис. 12
R1 |
Г3-33 |
C1 |
C |
RШ |
B7-16A
100 V |
|
|
0 |
Рис. 13
14. Провести измерение выходного сопротивления генератора Ri, осуществив выполнение последующих пунктов.
15. Собрать схему по рис. 14.
16. Установить переключатель рода работ В7–16А в поло-
жение U .
17. Изменяя R1, добиться на приборе В7–26 половины напряжения генератора, т.е. 1,5 В.
18. Отключить провода генератора ГЗ–33 от резистора R1.
9