1 Электрические цепи постоянного тока

Тема 1.1 Постоянный электрический ток

Лабораторная работа № 1 Изучение программы Multisim.

Тренировочные упражнения в сборке электрических цепей

Цель работы: научиться собирать схемы в программе Multisim и анализировать их параметры.

Оборудование

Работа выполняется на персональной электронной вычислительной машине (ПЭВМ) с использованием программного комплекса Multisim.

Краткие теоретические сведения

Приступая к выполнению лабораторной работы необходимо запустить программу Multisim.

После запуска появится рабочее поле экрана (рисунок 1.1). На рабочем поле экрана производят сборку электрической схемы цепи.

Электрические элементы схемы перемещаются на рабочее поле экрана из панели элементов, расположенной в верхней части поля экрана. Электротехнические элементы сгруппированы по функциональному назначению: источники питания, основные (пассивные) элементы, диоды, транзисторы, аналоговые интегральные схемы, логические микросхемы TTL, логические микросхемы CMOS, цифровые микросхемы, аналого-цифровые микросхемы, индикаторы, элементы питания, прочие элементы, периферийные устройства, высокочастотные элементы, электромеханические элементы. На рисунках 1.2 – 1.7 показаны некоторые из них.

Параметры всех элементов задаются в диалоговом окне свойств элемента, которое появляется автоматически при двойном щелчке левой кнопкой мыши.

Для соединения элементов схемы необходимо подвести курсор к подсоединяемому концу одного элемента до появления точки на конце этого элемента, нажать левую кнопку мыши и, подвести линию «провод» к началу следующего элемента до появления точки, снова нажать левую кнопку мыши.

Чтобы схема начала функционировать, необходимо нажать кнопку в верхнем правом углу (положение «I»). Цепь выключается нажатием той же кнопки (положение «О»).

Задания для студентов

Собрать заданную схему в программе Multisim. Подключить необходимые приборы. Снять показания приборов. Произвести расчёты падения напряжения на резисторе, лампе, тока в цепи, мощности, рассеиваемой лампой. Сравнить результаты расчётов с показаниями приборов. Сделать вывод.

Методика выполнения работы

1 Запустить программу Multisim.

2 Рассмотреть окна элементов согласно рисунков 1.2 – 1.6.

3 Переместить на рабочее поле измерительные приборы (рисунок 1.7). Проанализировать варианты их подключения и органы управления.

4 Собрать схему изображённую на рисунке 1.8. Установить напряжение источника питания Е1 = 12 В, параметры лампы EL1 — 12 В, 10 Вт.

Рисунок 1.8 – Схема электрическая принципиальная измерений

В программе Multisim схема будет выглядеть как на рисунке 1.9

5 Определить максимальное сопротивление резистора R1, при котором ещё горит лампа EL1. При этом измерить падения напряжения на резисторе. Рассчитать напряжение на лампе, ток в цепи, мощность, рассеиваемую лампой.

Рекомендации по обработке и оформлению полученных результатов

1 Отчёт выполняется в тетради для лабораторных работ по дисциплине «Электроника и электротехника».

2 В отчёт необходимо включить номер лабораторной работы, тему работы, цель работы, схемы измерений, результаты измерений и вычислений.

3 Сделать вывод по результатам проделанной работы.

Вопросы для самоконтроля

1. Какие величины могут быть измерены мультиметром в программе MULTISIM.

2. Как выполнить поворот элемента в программе MULTISIM.

3. Сколько соединений в программе MULTISIM можно подвести к одному соединяющему узлу.

4. Каким образом изменяется номинальное значение сопротивления резистора, какие еще параметры резистора могут быть заданы.

5. Можно ли указать на схеме обозначения резисторов R1, R2, .. и т.д., как это сделать.

6. Если бы вам пришлось создать собственный элемент, выполняющий функции омметра, какие элементы MULTISIM вы могли бы использовать.

7. Как влияют характеристики прибора на результат измерения.

8. При измерении сопротивления мультиметром в цепи создается некоторый ток, влияет ли величина этого тока на результат измерения.

Рекомендуемая литература:

1 http://of.bsu.ru/e-book/mikroprochess/Manual_multisim_rus.pdf — Введение в Multisim.

Лабораторная работа № 2 Исследование простейших цепей постоянного тока

Цель работы: проверить на практике выполнение законов Ома и Кирхгофа в цепях постоянного тока.

Оборудование

Работа выполняется на персональной электронной вычислительной машине (ПЭВМ) с использованием программного комплекса Multisim.

Краткие теоретические сведения

Важнейшим электрическим явлением является электрический ток — упорядоченное движение заряженных частиц (электронов). Для существования тока необходимо наличие электрической цепи.

Электрическая цепь — это замкнутый путь для тока, состоящий из источников электрической энергии, приемников электрической энергии, соединительных проводов, коммутационных устройств, измерительных приборов.

Источник преобразует в электрическую энергию любой другой вид энергии. Приемник преобразует электрическую энергию в любой нужный потребителю вид энергии.

Для расчета неразветвленных электрических цепей применяется закон Ома.

Закон Ома для электрической цепи, содержащей источник ЭДС (рисунок 1.10): ток прямо пропорционален ЭДС источника и обратно пропорционален суммарному сопротивлению всей цепи:

I = E / (R1 + R2)

Закон Ома для участка цепи:

I = U₁ / R1

Ток, протекающий по сопротивлению R1, пропорционален напряжению U₁, действующему на данном участке, и обратно пропорционален его сопротивлению.

Задания для студентов

Собрать заданные схемы в программе Multisim. Подключить необходимые приборы. Снять показания приборов. Произвести соответствующие расчёты. Сравнить результаты расчётов с показаниями приборов. Сделать вывод.

Методика выполнения работы

1 Запустить программный комплекс Multisim.

2 Собрать схему, изображенную на рисунке 1.11, запустить режим эмуляции, записать значения токов и напряжений с указательных приборов в таблицу 1.1. Произвести аналитический расчет токов и падений напряжений в цепи.

3 Увеличивая номинал одного из резисторов со 100 Ом до 200 Ом с шагом в 20 Ом, заполните таблицу 1.1.

Таблица 1.1 – Результаты измерений

R1, Ом	R2, Ом	I, А	U, В	UR1, В	UR2, В
100	100
…	…

4 Замените в схеме источник напряжения на источник постоянного тока номиналом 50 мА и повторите п.п.3.

5 Собрать схему, изображенную на рисунке 1.12, запустить режим эмуляции, записать значения токов и напряжений с указательных приборов в таблицу 1.2. Произвести аналитический расчет токов и падений напряжений в цепи.

6 Увеличивая номинал одного из резисторов со 100 Ом до 200 Ом с шагом в 20 Ом, заполните таблицу 1.2.

7 Замените в схеме источник напряжения на источник постоянного тока номиналом 200 мА и повторите п.п.6.

8 Сделайте выводы по проделанной работе.

Рисунок 1.12 – Параллельное включение сопротивлений

Таблица 1.2 – Результаты измерений

R1, Ом	R2, Ом	I, А	U, В	IR1, А	IR2, А
100	100
…	…

Рекомендации по обработке и оформлению полученных результатов

1 Отчёт выполняется в тетради для лабораторных работ по дисциплине «Электроника и электротехника».

2 В отчёт необходимо включить номер лабораторной работы, тему работы, цель работы, схемы измерений, результаты измерений и вычислений, выводы по результатам проделанной работы.

Вопросы для самоконтроля

1. Сформулировать закон Ома для участка цепи.

2. Как определить общее сопротивление цепи при последовательном и параллельном соединении элементов?

3. Дайте определение ветви, узла и контура электрической цепи.

4. В чем принципиальные отличия источника тока и источника напряжения?

Рекомендуемая литература:

1 Гурнаков К. В. Электроника и электротехника. Конспект лекций.– с. 7 – 9.

Лабораторная работа № 3 Исследование электрической цепи со

смешанным соединением резисторов

Цель работы: опытным путем проверить основные законы для цепи постоянного тока со смешанным соединением приемников электрической энергии.

Оборудование

Работа выполняется на персональной электронной вычислительной машине (ПЭВМ) с использованием программного комплекса Multisim.

Краткие теоретические сведения

Для расчета разветвленных цепей применяют два закона Кирхгофа, называемые также правилами Кирхгофа. Оба закона установлены на основании многочисленных опытов и являются следствием закона сохранения энергии.

В соответствии с первым законом Кирхгофа алгебраическая сумма токов в точке разветвления электрической цепи равна нулю (рисунок 1.13):

I₁ + I₂ + I₃ – I₄ – I₅ = 0.

По второму закону Кирхгофа в контуре электрической цепи алгебраическая сумма электродвижущих сил равна алгебраической сумме падений напряжения на сопротивлениях, входящих в этот контур (рисунок 1.14):

∑E = ∑IR

При составлении уравнений для расчета в соответствии с указанными законами необходимо учитывать, каким способом соединены элементы рассматриваемой электрической цепи.

При последовательном соединении по всем элементам электрической цепи протекает один и тот же ток.

Параллельным соединением элементов (ветвей) цепи называется такое, при котором все эти элементы находятся под одним и тем же напряжением.

При смешанном соединении потребителей электрической энергии, одна часть потребителей соединена параллельно, а другая — последовательно.

Задания для студентов

Собрать заданную схему в программе Multisim. Подключить необходимые приборы. Снять показания приборов. Произвести соответствующие расчёты. Сравнить результаты расчётов с показаниями приборов. Сделать вывод.

Методика выполнения работы

1 Запустить программный комплекс Multisim.

2 Собрать на рабочем поле экрана электрическую цепь постоянного тока (рисунок 1.14).

Рисунок 1.14 – Схема измерений с источником э. д. с.

3 Задать параметры элементов цепи согласно варианту (таблица 1.3)

4 Записать в таблицу 1.4 показания приборов при разомкнутом выключателе SA1.

5 Рассчитать значения токов в ветвях схемы и напряжения на участках цепи и записать их значения в таблицу 1.4. Расчетные значения должны совпасть с показаниями приборов. Расчет цепи выполнить, используя законы Ома и Кирхгофа.

5.1 Определить эквивалентное сопротивление цепи.

5.2 Определить ток в неразветвленной части цепи.

5.3 Определить напряжения U_R1 и U_R2.

5.4 Определить напряжения U_R3 и U_R4.

5.5 Определить токи в ветвях схемы.

5.6 Проверить выполнение законов Кирхгофа.

5.7 Записать уравнение баланса мощностей.

6 Замкнуть ключ, подключив в схему резистор R3. Записать в таблицу 1.4 показания приборов.

Таблица 1.3 – Параметры элементов цепи

№ варианта	1	2	3	4	5	6	7
I, А	2	4	1	2	4	1	2
E, В	100	200	400	100	200	400	200
R1, Ом	20	10	50	20	40	20	40
R2, Ом	10	20	50	40	20	40	20
R3, Ом	60	40	20	60	40	60	40
R4, Ом	40	60	40	40	60	20	60

Таблица 1.4 – Результаты измерений и вычислений

Схема с источником э.д.с.	Положение ключа	Параметры цепи	Показания приборов	Вычисленные значения
	Ключ разомкнут	Uab, В
		I, А
		IR1, А
		UR1, В
		IR2, А
		UR2, В
		IR3, А
		UR3, В
		IR4, А
		UR4, В
	Ключ замкнут	Uab, В
		I, А
		IR1, А
		UR1, В
		IR2, А
		UR2, В
		IR3, А
		UR3, В
		IR4, А
		UR4, В

7 Рассчитать значения токов в ветвях схемы и напряжения на участках цепи и записать их значения в таблицу 1.4 при замкнутом ключе. Расчетные значения должны совпасть с показаниями приборов. Расчет цепи выполнить, используя закон Ома и план п. 5.

8 Заменить источник ЭДС источником тока (рисунок 1.15). Снять показания приборов при разомкнутом и замкнутом ключе. Занести данные в таблицу 1.5. Рассчитать схему при разомкнутом и замкнутом ключе, используя закон Ома. Проверить выполнение законов Кирхгофа. Записать уравнение баланса мощностей.

9 Сделать выводы по проделанной работе.

Рисунок 1.15 – Схема измерений с источником тока

Таблица 1.5 – Результаты измерений и вычислений

Схема с источником тока	Положение ключа	Параметры цепи	Показания приборов	Вычисленные значения
	Ключ разомкнут	Uab, В
		I, А
		IR1, А
		UR1, В
		IR2, А
		UR2, В
		IR3, А
		UR3, В
		IR4, А
		UR4, В
	Ключ замкнут	Uab, В
		I, А
		IR1, А
		UR1, В
		IR2, А
		UR2, В
		IR3, А
		UR3, В
		IR4, А
		UR4, В

Рекомендации по обработке и оформлению полученных результатов

1 Отчёт выполняется в тетради для лабораторных работ по дисциплине «Электроника и электротехника».

2 В отчёт необходимо включить номер лабораторной работы, тему работы, цель работы, схемы измерений, результаты измерений и вычислений.

3 Сделать вывод по результатам проделанной работы.

Вопросы для самоконтроля

1. Написать формулы для расчета сопротивления цепи постоянного тока при последовательном и параллельном соединении сопротивлений.

2. Сформулировать закон Ома для участка цепи и для замкнутого контура.

3. Сформулировать первый и второй законы Кирхгофа, объяснить правила знаков.

4. Дать определение источника ЭДС и источника тока.

5. Дать определение мощности электрической цепи. Сформулировать уравнение баланса мощностей.

Рекомендуемая литература:

1 Гурнаков К. В. Электроника и электротехника. Конспект лекций.– с. 9 – 24.