Учебное пособие 692

УДК 621.396

ББК 31.21

Составитель канд. техн. наук Р.П. Краснов

Методические указания к лабораторным работам 1-4 по курсу «Общая электротехника» для студентов направления 12.03.04 «Биотехнические системы и технологии» (направленности «Биотехнические и медицинские аппараты и системы», «Менеджмент и управление качеством в здравоохранении») очной и заочной форм обучения / ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет»; сост. Р.П. Краснов. Воронеж, 2018. 29 с.

В методических указаниях приведено описание лабораторных работ по дисциплине «Общая электротехника» направления 12.03.04 «Биотехнические системы и технологии» (направленности «Биотехнические и медицинские аппараты и системы», «Менеджмент и управление качеством в здравоохранении»). Каждая лабораторная работа снабжена краткими теоретическими сведениями и контрольными вопросами.

Предназначены для студентов 2 курса очной и заочной форм обучения.

УДК 621.396

ББК 31.21

Табл. 2. Ил. 11. Библиогр.: 4 назв.

Рецензент канд. техн. наук, доц. А.В. Володько

Печатается по решению учебно-методического совета Воронежского государственного технического университета

2

ВВЕДЕНИЕ

На лабораторных занятиях по курсу «Общая электротехника» каждый студент выполняет лабораторное задание, включающее теоретическую и экспериментальную части.

Лабораторные занятия предполагают выполнение подготовительных (домашних) заданий, основным содержанием которых является ознакомление с принципом работы электронного прибора, его паспортными данными, изучение измерительных схем и методик проведения измерений.

Контроль правильности выполнения подготовительного задания и теоретической готовности к выполнению лабораторной работы проводится преподавателем перед началом занятия.

Заключительным этапом лабораторной работы является защита отчета, которая проводится в виде устного собеседования в рамках контрольных вопросов, помещенных в конце каждой работы.

Техника безопасности в лаборатории

Режим техники безопасности на лабораторных занятиях по курсу «Общая электротехника» включает:

– изучение правил техники безопасности при обслуживании электроустановок с напряжением до 1000 В и дополнительный инструктаж по электробезопасности в конкретных условиях учебной лаборатории;

–документальную регистрацию студентами знаний правил техники безопасности и дополнительного инструктажа в специальном журнале.

Дополнительный инструктаж включает в себя следующие рекомендации по сборке измерительных схем.

Перед началом сборки измерительной схемы убедиться, что все источники питания лабораторной установки выключены, а их регуляторы установлены в крайнее левое положение.

3

При сборке измерительной схемы использовать только надежные клеммные и штепсельные соединения и соединительные провода. Основания клемм должны иметь надежную фиксацию в посадочные отверстия. Соединение и разъединение штепсельных разъемов должно осуществляться при отключенных источниках питания плавно и с небольшим усилием.

Только после тщательной проверки собранной измерительной схемы и с разрешения преподавателя или лаборанта можно включать тумблеры источников питания.

О всех замеченных технических неисправностях немедленно сообщать преподавателю или лаборанту.

Запрещается в процессе измерений прикасаться к токоведущим элементам (клеммам).

Перед внесением изменений в схему необходимо выключить источники питания лабораторной установки.

После окончания измерений необходимо установить регуляторы напряжения всех источников питания в крайнее левое положение, выключить источники питания и другие приборы, обесточить измерительный стенд, разобрать измерительную схему, привести в порядок рабочее место.

Краткие сведения об учебном измерительном оборудовании

Для проведения учебной исследовательской работы в лаборатории электронных приборов используется стенд лабораторный универсальный типа СПЭ-8. Он предназначен для исследования полупроводниковых приборов в статическом режиме.

Для задания статических режимов полупроводниковых приборов и подключения дополнительного оборудования в стенде имеется пять источников питания.

Два источника стабилизированного постоянного напряжения, регулируемого в пределах 0...15В, с максимальным значением выходного тока 100 мА, при уровне

4

пульсаций выходного напряжения не более 0,5%.

Для измерения тока, протекающего в цепях с исследуемыми приборами и напряжений на них, имеется шесть электроизмерительных приборов магнитоэлектрической системы.

Исследуемая схема собирается на макетной плате «Полупроводники-микросхемы», которая позволяет исследовать различные схемы, собранные на полупроводниковых приборах и ИС.

Макет выполнен в виде самостоятельного устройства настольного типа. Все органы управления и коммутации расположены на лицевой стороне панели макета. На левой и правой сторонах каркаса установлены по четыре пары гнезд Г4 и 116, соединенных между собой, для подключения радиоизмерительных приборов.

Одно- и двухполярное напряжение питания подводится к гнездам Г4, обозначенных на макете «+», « », «-». Индикация наличия напряжения осуществляется тумблером, обозначенным U, при этом загораются светодиоды. Дополнительное однополярное напряжение может быть также подведено к гнездам Г4, расположенным в правом верхнем углу макета. Напряжение от генератора подводится к гнездам Г4 «Генератор».

Макет имеет набор постоянных и переменных резисторов, емкостей, диодов, стабилитронов, светодиодов, транзисторов, номиналы которых указаны на лицевой панели стенда.

К разъемам ХТ4, ХТ5, ХТ6, ХТ9, ХТ10 подключаются их ответные части с распаянными на них полупроводниковыми приборами и интегральными схемами. Сами разъемы распаяны на гнезда Г1-6, расположенные около них.

5

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1 Исследование простейших цепей постоянного тока

Цели работы

1.Знакомство с измерительным оборудованием лаборатории.

2.Освоение методики использования эквивалентных преобразований в простейших электрических цепях.

3.Проверка применимости правил Кирхгофа для расчета параметров электрических цепей.

Состав используемого оборудования

–Источники питания постоянного напряжения 0...15В.

–Вольтметр постоянного напряжения.

–Амперметр постоянного тока.

–Стенд лабораторный.

–Соединительные провода.

Подготовительное (домашнее) задание

–Записать название, цель работы, измерительные схемы.

–Изучить методы эквивалентных преобразований в простейших цепях.

–Изучить первое и второе правила Кирхгофа

Краткие теоретические сведения

Для оценки воздействия электрического поля на заряд используют разность потенциалов между двумя точками пространства или электрической цепи, называемую напряжением U (измеряется в Вольтах, В). Напряжение показывает, с какой силой поле будет действовать на частицу, чтобы переместить ее от точки с бóльшим потенциалом к точке с меньшим.

Результатом действия поля будет возникновение потока электронов, движущихся от большего потенциала к меньшему. Этот направленный поток принято называть электрическим

6

током, иногда называемым также током проводимости. Для количественной оценки тока вводят понятие силы тока I (измеряется в Амперах, А), равное количеству зарядов, переносимому в единицу времени по проводнику.

Однако, любая среда в обычных условиях мешает движению электронов. В таких случаях говорят о наличии

электрического сопротивления R (измеряется в Омах, Ом). Чем больше сопротивление, тем больше среда затрудняет движение электронов и, следовательно, тем меньше ток.

Взаимосвязь между этими величинами иллюстрируется

законом Ома для участка цепи: ток через выбранный участок цепи будет прямо пропорционален напряжению и обратно пропорционален сопротивлению этого участка:

Использование правил Кирхгофа при анализе и расчете разветленных цепей позволяют сократить время и упростить сам процесс.

Первое правило Кирхгофа формулируется так: сумма всех токов, втекающих в узел, равна сумме всех токов, вытекающих из него. Это правило работает для любых узлов в любой электрической цепи.

Второе правило Кирхгофа: сумма всех напряжений на резистивных элементах замкнутой цепи равна сумме всех имеющихся в цепи ЭДС. Если же источников ЭДС нет, сумма напряжений принимается равной нулю.

Используя полученные сведения, определим, для каких целей могут применяться резисторы в электрических цепях.

Последовательно включенный резистор обычно задает ток в ветви, такой резистор называют токоограничивающим.

Помимо этого резисторы можно использовать для

7

локального уменьшения напряжения или тока, используя соответствующие схемы делителей (см. лабораторную работу № 2).

Электрической цепью называют совокупность элементов и устройств, предназначенных для передачи электрического тока и управления им. Эта цепь может преобразовывать различные виды энергии в электрическую или наоборот, а также служить для того, чтобы перенаправлять ток к нужной точке и, возможно, изменять его во время передачи.

Электрические цепи состоят из элементов, представляющих собой радиоэлементы или целые блоки, необходимые для выполнения какой-либо задачи. Например, элементом цепи может быть уже упомянутый резистор, задачей которого является установление нужного нам значения тока или напряжения.

Для описания электрических цепей используют электрические схемы, на которых цепь изображают в виде соединения элементов, каждому из которых соответствует свое условное обозначение. Иногда для упрощения расчетов схему рисуют для идеализированного случая, например, без учета потерь. При этом элементы, конечно, также считаются идеальными. Саму схему при этом можно упростить, например, сократив число элементов. То, что получается в итоге, называют схемой замещения, подчеркивая, что результат замещает в расчетах реальную цепь.

Элементы электрических схем можно разделить на две группы: те, что производят электрическую энергию, называют

источниками, а те, что ее используют – приемниками.

Любая часть электрической цепи, содержащая элементы или соединения, называется участком цепи.

Электрические цепи, содержащие источники питания, называют активными, если же таких источников нет, цепь считается пассивной.

Точка контакта трех или более соединений называется

узлом цепи.

8

Часть цепи, соединяющая между собой два узла, называется ветвью.

Любой замкнутый участок схемы принято называть контуром. В контуре может протекать ток, поскольку это замкнутая цепь, причем его амплитуда будет одной и той же на всех элементах контура.

Как было сказано выше, для упрощения расчетов электрических цепях используют эквивалентные преобразования, позволяющие значительно сократить размер схемы и количество элементов в ней. Простейшим примером является использование эквивалентного резистора, заменяющего несколько последовательно включенных. Рассмотрим пример на рис. 1.1 а.

Второе правило Кирхгофа для схемы имеет вид U = UR1 + UR2 + UR3 . Для нахождения сопротивления поделим почленно

это уравнение на ток I: U/I = UR1 /I + UR2 /I + UR3 /I. По закону Ома получим R = R1+ R2+ R3 .

Таким образом, при последовательном соединении резисторов эквивалентное сопротивление равно сумме сопротивлений каждого из них.

Рассмотрим теперь эквивалентное преобразование, требуемое при параллельном соединении резисторов, пример которого показан на рис. 1.1, б. Для преобразования этой схемы

9

используется первое правило Кирхгофа и закон Ома. По закону Ома через каждый из резисторов течет ток: I1 = U/R1 , I2 = U/R2, I3 = U/R3. Применим к верхнему узлу первое правило Кирхгофа, получим I = I1+ I2 + I3. Подставим полученное в выражение для закона Ома, тогда: U/R = U/R1+U/R2+U/R3, следовательно 1/R = 1/R1+1/R2+1/R3. Переходя к записи проводимостей, имеем следующий результат: G = G1+G2+G3.

Таким образом, при параллельном соединении резисторов эквивалентная проводимость равна сумме проводимостей.

Лабораторное задание

1.Получить у преподавателя допуск к лабораторной работе.

2.Для схем, представленных на рис. 1.2, рассчитать, используя данные об эквивалентных преобразованиях из теоретического материала, ожидаемые показатели измерительных приборов.

3.Начертить в тетради исследуемые схемы, руководствуясь рис. 1.2, указать полярность измерительных приборов.

4.Собрать исследуемую схему. Получив допуск у преподавателя или лаборанта, подать питание на лабораторный стенд. Снять показания измерительных приборов, результаты занести в отчет.