ЛР3 / Л3

Министерство науки и высшего образования Российской федерации

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования

«ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ» (ТУСУР)

Кафедра комплексной информационной безопасности электронно-вычислительных систем (КИБЭВС)

ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАКОНОВ ОМА И КИРХГОФА ПРИ ГАРМОНИЧЕСКОМ ВОЗДЕЙСТВИИ

Отчет по лабораторной работе № 3

по дисциплине «Электротехника»

Студенты гр. 733-1

_________ Тоут В.С.

_____Сметанников Д.Е

__.__.2024

Принял

Старший преподаватель кафедры КИБЭВС

________ О.В. Пехов

__.__.2024

ВВЕДЕНИЕ

Целью лабораторной работы является освоение методов измерения напряжения, тока и разности фаз гармонических сигналов; экспериментальная проверка топологических уравнений цепей первого порядка и закона Ома. В комплексной форме для индуктивности L и емкости C.

ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Лабораторная установка состоит из лабораторного макета и измери- тельного блока. Лабораторный макет включает генератор сигналов низкой частоты и панели «Законы Ома и Кирхгофа при гармоническом воздействии». Внешний вид макета представлен на рисунке 1.

Р исунок 1 - Макет «Законы Ома и Кирхгофа при гармоническом воздействии»

Технические характеристики генератора сигналов низкой частоты (генератора ЭДС):

• Диапозон частот: 50Гц… 1.5КГц;

• Выходное напряжение: 0 — 2В;

• Выходное сопротивление: 10 Ом.

Форма сигнала – гармоническая или последовательность прямоугольных импульсов (устанавливается переключателем «форма сигнала»).

Питание макета осуществляется от сети переменного тока 220В 50Гц. Внешний вид измерительного блока представлен на Рисунке 2.

Он содержит мультиметры UT50C, UT50D и фазометр. Мультиметры предназначены для измерения частоты, напряжения, сопротивления, индуктивности и емкости. Питание измерительного блока осуществляется от лабораторного макета с помощью девятиконтактного плоского кабеля, подключаемого через внешние разъемы этих устройств.

Р исунок 2 — Измерительный блок

В ходе работы контролируйте режим работы измерительного прибора в соответствии с заданием. Неправильное включение прибора в цепь может привести к травмам и повреждению приборов.

В лабораторной работе также используется программное обеспечение для схемотехнического моделирования Electronic Workbench (скачать можно на мудл в шапке курса, там же есть руководство по его применению).

1) Большинство измерительных приборов предназначены для измерения узлового напряжения. Один из выводов приборов заземлен, часто его называют общим проводом. Второй вывод называют потенциальным или сигнальным, или просто обозначают «вход» или «выход». При сборке измерительной установки в первую очередь соединяются между собой общие провода всех приборов и исследуемого объекта.

2) Фазометр служит для измерения разности начальных фаз двух узловых гармонических напряжений. Если вход фазометра «Опорный» подключить ко входу исследуемой цепи, а вход «Сигнал» – к выходу цепи, то фазометр покажет разность начальных фаз: φ = φ_Uвых - φ_Uвх Вместо фазометра в данной работе предлагается использовать осцилллограф - прибор, показывающий форму напряжения во времени. Также он позволяет измерять ряд параметров сигнала, такие как напряжение, ток, частота, угол сдвига фаз. Но главная польза от осциллографа – возможность наблюдения формы сигнала. Во многих случаях именно форма сигнала позволяет определить, что именно происходит в цепи

Р исунок 3 — Ветви макета

3) Для удобства измерения напряжений на элементах, каждая ветвь макета содержит пару одинаковых резисторов R1-1 и R1-2 номиналом 1кОм (рисунок 3)

Особенности измерения рассмотрим на примере RL-ветви.

Если вывод 2 схемы соединить с сигнальной шиной →), а вывод 4 соединить с общим проводом, то получим схему измерения напряжения на резисторе R1-2, (рисунок 4а). А если к сигнальной шине подключить вывод 1, а вывод 3 «заземлить», то получим схему измерения напряжения на индуктивности (рисунок 4б).

Р исунок 4 — Схемы измерения напряжений на резисторах и на катушке индуктивности

В работе исследуются соотношения между напряжениями и током в последовательном соединении RL, RC и RR (рисунок 5).

Р исунок 5 — Последовательные соединения элементов

Параметры элементов и частоты источника:

• R = 1кОм;

• L = 0.3Гн;

• С = 0.33мкФ;

• Частота источника — 1200Гц.

ХОД РАБОТЫ

2.1 Исследование выполнения законов Ома и Кирхгофа при гармоническом воздействии для последовательного соединения катушки индуктивности L и резистора R1

Рассчитать ток и напряжение на элементах RL-цепи. Расчетная схема, обозначения элементов и условно положительные направления напряжений и тока представлены на Рисунке 5а. Начальную фазу напряжения Ů_вх принять равной нулю. На рисунке 6 представлены расчетные формулы.

Результаты измерений занести в таблицу 1.

Р исунок 6 — Расчетные формулы

Таблица 1

	UR1, В	ϕur °	UL, В	ϕuL °	I, мА	ϕl °	R1, Ом	L, Гн
Расчет	0.40	66.14	0.91	23.86	0.40	66.14	1000	0.3
Эксперимент	0,43	67,04	0,92	24,61	0,44	67,04	1000	0.3

Векторная диаграмма напряжений и тока представлена на рисунке 7.

Р исунок 7 — Последовательно соединенные катушка и резистор

2.2 Исследовать выполнение законов Ома и Кирхгофа при гармоническом воздействии для последовательного соединения катушки конденсатора С и резистора R1.

Рассчитать ток и напряжение на элементах RC-цепи.

Рассчетная схема представлена на рисунке 5б. Начальная фаза напряжения Ů_вх = 0. На рисунке 8 представленны расчетные формулы.

Результаты измерений занести в таблицу 2.

Таблица 2

	UR1, В	ϕUR°	UС, В	ϕUС°	I, мА	ϕI°	R1, Ом	C, мкФ
Расчет	0.93	21.91	0.37	68.09	0.93	21.91	1000	0.33
Эксперимент	0,96	23,19	0,40	66,73	0,94	23,19	1000	0.33

Р исунок 8 — формулы

Векторная диаграмма напряжений и тока представлена на рисунке 9.

Р исунок 9 — Последовательно соединенные конденсатор и резистор

2.3 – Исследование выполнения законов Ома и Кирхгофа при гармоническом воздействии для последовательного соединения сопротивлений R1 и R3

Рассчитать ток и напряжение на элементах RR-цепи.

Рассчетная схема представлена на рисунке 5в. Начальная фаза напряжения U_вк = 0. На рисунке 10 представленны расчетные формулы.

Результаты измерений занести в таблицу 3.

Таблица 3

	UR1, В	ϕUR°	UR3, В	ϕUC°	I,мА	ϕI°	R1, Ом	R3
Расчет	0.50	0.00	0.50	68.09	0.50	0.00	1000	1000
Эксперимент	0,52	0,00	0,52	66,73	0,52	0,00	1000	1000

Р исунок 10 — Формулы

Векторная диаграмма напряжений и тока представлена на рисунке 11.

Р исунок 11 — Последовательно соединенные резисторы

Заключение

В ходе работы были изучены методы измерения напряжения, тока и разности фаз гармонических сигналов. Также была проведена экспериментальная проверка топологических уравнений цепей первого порядка и закона Ома в комплексной форме для индуктивности L и емкости C.

14