Лабы / Лабораторная работа №2

Министерство цифрового развития, связи и массовых коммуникаций Российской Федерации

Ордена Трудового Красного Знамени Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Московский технический университет связи и информатики»

(МТУСИ)

Кафедра теории электрических цепей

Лабораторная работа №2

по дисциплине

Теоретические основы электротехники

на тему

Исследование на ЭВМ характеристик источника постоянного напряжения

Проверил: к.т.н Мосичев А. В.

Москва, 2023

Цель работы: с помощью программы Micro-Cap получить внешние характеристики источников напряжения. Познакомиться с зависимыми источниками

Исходные данные

Е = 2.4 В – ЭДС источника

r = 320 Ом– внутреннее сопротивление источника

R = 0, 10, 20, 40, 80, 320, 1280, 2560, 5000 Ом – сопротивление нагрузки

Расчётные формулы

I = E/(r + R) – ток в нагрузке от сопротивления нагрузки R;

 = IR - падения напряжения на нагрузке от сопротивления;

 = EI - мощность источника от сопротивления нагрузки R;

 =   r - мощность, выделяемая на внутреннем сопротивлении источника от сопротивления нагрузки R;

 = R - мощность, выделяемая на нагрузке от сопротивления нагрузки R;

η =100%(Pн/Pист) - коэффициент полезного действия(КПД) цепи от сопротивления нагрузке R

Предварительный расчёт характеристик источника

1. Расчёт и построение графика I = E/(r + R)

Рис. 1.1 Расчёт зависимости тока от сопротивления нагрузки

Рис. 1.2 График зависимости тока от сопротивления нагрузки

2. Расчет и построение графика U_н = IR

Рис. 2.1 Расчёт зависимости напряжения от сопротивления нагрузки

Рис. 2.2 График зависимости напряжения от сопротивления нагрузки

3. Расчёт и построение графика Р_ист = EI

Рис. 3.1 Расчёт зависимости мощности источника от сопротивления нагрузки

Рис. 3.2 График зависимости мощности источника от сопротивления нагрузки

4. Расчёт и построение графика Р_r = I²r

Рис. 4.1 Расчёт зависимости мощности, выделяемой на внутреннем сопротивлении источника от сопротивления нагрузки

Рис. 4.2 График зависимости мощности, выделяемой на внутреннем сопротивлении источника от сопротивления нагрузки

5. Расчёт и построение графика P_н = I²R

Рис. 5.1 Расчёт зависимости мощности, выделяемой при нагрузке от сопротивления нагрузки

Рис. 5.2 График зависимости мощности, выделяемой при нагрузке от сопротивления нагрузки

6. Расчёт и построение графика η =100%(Рн/Pист)

Рис. 6.1 Расчёт зависимости КПД цепи от сопротивления нагрузки

Рис. 6.2 График зависимости КПД цепи от сопротивления нагрузки

Экспериментальное исследование характеристик источника

Построим схему в Micro-Cap (рис. 7), чтобы сравнить результаты, полученные в предварительных расчётах.

Рис. 7 Схема цепи для эксперимента

1. Зависимость тока от сопротивления нагрузки

Рис. 8 График зависимости тока от сопротивления нагрузки

Вывод: при увеличении сопротивления нагрузки уменьшается сила тока.

2. Зависимость напряжения от сопротивления нагрузки

Рис. 9 Зависимость напряжения от сопротивления нагрузки

Вывод: при увеличении сопротивления нагрузки увеличивается напряжение.

3. Зависимость мощности источника от сопротивления нагрузки

Рис. 10 Зависимость мощности источника от сопротивления нагрузки

Вывод: при увеличении сопротивления нагрузки уменьшается мощность источника.

4. Зависимость мощности, выделяемой на внутреннем сопротивлении источника от сопротивления нагрузки

Рис. 11 Зависимость мощности, выделяемой на внутреннем сопротивлении источника от сопротивления нагрузки

Вывод: при увеличении сопротивления нагрузки уменьшается мощность, выделяемая на внутреннем сопротивлении источника.

5. Зависимость мощности, выделяемой на нагрузке от сопротивления нагрузки

Рис. 12 Зависимость мощности, выделяемой на нагрузке от сопротивления нагрузки

Вывод: при увеличении сопротивления нагрузки мощность, выделяемая на нагрузке, сначала растет (до Rн=r), а затем падает.

6. Зависимость КПД цепи от сопротивления нагрузки

Рис. 13 Зависимость КПД цепи от сопротивления нагрузки

Вывод: при увеличении сопротивления нагрузки КПД цепи растёт.

Таблица расчётов

Таблица 1 – Таблица расчётов

По предварительному расчету
Rн, Ом	I, мА	Uн, В	Рист, Вт	Pr, Вт	Pн, Вт	η, %
0	7,5	0	0,018	0,018	0	0
10	7,273	0,073	0,017	0,017	0,0005	2,94
20	7,059	0,141	0,017	0,016	0,001	5,88
40	6,667	0,267	0,016	0,014	0,0018	11,25
80	6	0,48	0,014	0,012	0,0028	20
320	3,75	1,2	0,0091	0,004	0,005	55
1280	1,5	1,92	0,004	0,0007	0,0028	70,7
2560	0,833	2,132	0,002	0,0002	0,0016	88,2

Продолжение таблицы 1

Получено экспериментально
Rн, Ом	I, мА	Uн, В	Рист, Вт	Pr, Вт	Рн, Вт	η, %
0	7,5	0	0,018	0,018	0	0
10	7,273	0,073	0,017	0,017	0,0005	2,94
20	7,059	0,141	0,017	0,016	0,001	5,88
40	6,767	0,267	0,016	0,014	0,0018	11,1
80	6	0,48	0,014	0,012	0,0028	20
320	3,75	1,2	0,0091	0,004	0,005	50
1280	1,5	1,92	0,004	0,0007	0,0028	71
2560	0,833	2,132	0,002	0,0002	0,0016	88,2
5000	0,451	2,255	0,0011	0,0001	0,0011	93

Общий вывод: данные и графики, полученные в результате машинного эксперимента в программе Micro-Cap, почти полностью совпадают с данными и графиками, полученными в результате предварительного расчёта. Небольшие расхождения есть только в паре данных.

Практические задания и задачи к промежуточному контролю

1. Дайте определение независимым идеальным источникам напряжения и тока.

Ответ: Независимым источником напряжения называется двухполюсный элемент с заданной величиной ЭДС, независящей от параметров цепи, подключено к нему (независящей от нагрузки), и с неопределенным зависящим от нагрузки током.

Независимый источник тока – сосредоточенный двухполюсный элемент с заданной величиной тока, который не зависит от параметров цепи, подключенной к нему (не зависит от нагрузки), и с неопределенным, зависящим от нагрузки напряжением.

2. Режимы работы источников ЭДС.

Ответ: Режим холостого хода (I=0), режим короткого замыкания (зажимы источника замкнуты проводником, сопротивление которого равно нулю), рабочий режим, номинальный режим (наиболее эффективная работа на протяжении длительного времени), согласованный режим (в нагрузке выделяется максимальная мощность).

3. Чему равно падение напряжения на нагрузке U_H при R_H = r?

Ответ: U_н = IR_н, I = E/(r + R_н), R_н = r, следовательно, U_н = E*r/2r = E/2. Подставим числовые значения: U_н = 2,4 / 2 = 1.2 В.

4. Чему равна мощность, выделяемая на внутреннем сопротивлении источника Р_r, при R_H = r?

Ответ: P_r = I²r, I = E/(r + R_н), R_н = r, следовательно, P_r = E²*r/4r² = E²/4r. Подставим числовые значения: P_r = 5,76 / 1280 = 0,0045 Вт

5. Чему равен КПД при R_H = r?

Ответ: η = 100%(P_н/P_ист), P_ист = EI, P_н = I²R_н, I = E/(r + R_н), R_н = r, следовательно, η = 100%(I²r/EI) = 100%(Ir/E) = 100%(Er/2r/E) = 100% * ½ = 50%.

6. Каким образом экспериментально находят ЭДС и внутреннее сопротивление источников?

Ответ: Внутреннее сопротивление (r) — определяет количество потерь энергии при прохождении тока через источник тока.

ЭДС измеряют вольтметром.

7. Чему равна мощность, выделяемая на нагрузке при равенстве внутреннего сопротивления и сопротивления нагрузки, подключенной к источнику тока?

Ответ: При равенстве сопротивления нагрузки и внутреннего сопротивления источника электрической энергии, мощность достигает своего максимального значения.