ЛАБ / лаб_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)

Факультет "Радио и телевидение"

Кафедра " Теория электрических цепей "

ОТЧЕТ

Лабораторная работа № 2

__________________________________________________________________

название лабораторной работы

Выполнил(а):

Студент(ка) группы________ _________________/ ______________

(подпись) (ФИО)

Проверил:

Ст. преподаватель

(подпись)

Дата защиты ____________20 г.

Москва 20 г.

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

Ход работы:

Рисунок 1. Схема с независимым источником постоянного тока

Предварительный расчёт:

Зависимость тока I от сопротивления нагрузки R_n в цепи.

Е = 2.4 В – ЭДС источника;

r = 320 Ом – внутреннее сопротивление источника;

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

Формулы:

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

Uн = I*Rн=f*(Rн)-падения напряжения на нагрузке от сопротивления;

Pист = EI =f*(Rн)-мощность источника от сопротивления нагрузки Rн;

Pr=I^2*r=f(Rн)-мощность, выделяемая на внутреннем сопротивлении источника от сопротивления нагрузки Rн;

Pн=I^2*Rн=f(Rн)-мощность, выделяемая на нагрузке от сопротивления нагрузки Rн;

η =100%(Pн/Pи)=f(Rн)-коэффициент полезного действия(КПД) цепи от сопротивления нагрузке Rн

Расчёты:

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

I1 = E / (r + Rn1) = 2.4/ (320 + 0) = 0,0075 A = 7,5 мА

I2 = E / (r + Rn2) = 2.4/ (320 + 10) = 0,007272 A = 7,273 мА

I3 = E / (r + Rn3) = 2.4/ (320 + 20) = 0,007059 A = 7,059 мА

I4 = E / (r + Rn4) = 2.4/ (320 + 40) = 0,006667 A = 6,667 мА

I5 = E / (r + Rn5) = 2.4/ (320 + 80) = 0,006 A = 6 мА

I6 = E / (r + Rn6) = 2.4/ (320 + 320) = 0,00375 A = 3,75 мА

I7 = E / (r + Rn7) = 2.4/ (320 + 1280) = 0,0015 A = 1,5 мА

I8 = E / (r + Rn8) = 2.4/ (320 + 2560) = 0,000833 A = 0,833 мА

I9 = E / (r + Rn9) = 2.4/ (320 + 5000) = 0,000451 A = 0,451 мА

Рисунок 2. График зависимости тока от сопротивления нагрузки.

Uн = I*Rн=f*(Rн)-падения напряжения на нагрузке от сопротивления;

Un1 = I1Rn1 = 0,0075 * 0 = 0 В

Un2 = I2Rn2 = 0,007272 * 10 = 0,073 В

Un3 = I3Rn3 = 0,007059 * 20 = 0,141 В

Un4 = I4Rn4 = 0,006667 * 40 = 0,267 В

Un5 = I5Rn5 = 0,006 * 80 = 0,48 В

Un6 = I6Rn6 = 0,00375 * 320 = 1,2 В

Un7 = I7Rn7 = 0,0015 * 1280 = 1,92 В

Un8= I8Rn8 = 0,000833 * 2560 = 2,132 В

Un9 = I9Rn9 = 0,000451 * 5000 = 2,255В

Рисунок 3. График зависимости напряжения от сопротивления нагрузки.

Pист = EI =f*(Rн)-мощность источника от сопротивления нагрузки Rн;

Pист1 = EI1 = 2,4 * 0,0075 = 0,018 Вт

Pист2 = EI2 = 2,4 * 0,007272 = 0,017 Вт

Pист3 = EI3 = 2,4 * 0,007059 = 0,017 Вт

Pист4 = EI4 = 2,4 * 0,006667 = 0,016 Вт

Pист5 = EI5 = 2,4 * 0,006 = 0,014 Вт

Pист6 = EI6 = 2,4 * 0,00375 = 0,009 Вт

Pист7 = EI7 = 2,4 * 0,0015 = 0,0036 Вт

Pист8 = EI8 = 2,4 * 0,000833 = 0,002 Вт

Pист9= EI9 = 2,4 * 0,000451 = 0,0011 Вт

Рисунок 4. График зависимости мощности источника от сопротивления нагрузки.

Pr=I^2*r=f(Rн)-мощность, выделяемая на внутреннем сопротивлении источника от сопротивления нагрузки Rн;

Pr1 = I1^2r = 0,0075^2 * 320 = 0,018 Вт

Pr2 = I2^2r = 0,007272 ^2 * 320 = 0,0169 Вт

Pr3 = I3^2r = 0,007059 ^2 * 320 = 0,0159 Вт

Pr4 = I4^2r = 0,006667 ^2 * 320 = 0,0142 Вт

Pr5 = I5^2r = 0,006^2 * 320 = 0,0115 Вт

Pr6 = I6^2r = 0,00375 ^2 * 320 = 0,0045 Вт

Pr7 = I7^2r = 0,0015^2 * 320 = 0,0007 Вт

Pr8 = I8^2r = 0,000833 ^2 * 320 = 0,00022 Вт

Pr9 = I9^2r = 0,000451^2 * 320 = 0,000065 Вт

Рисунок 5. График зависимости мощности, выделяемой на внутреннем сопротивлении источника от сопротивления нагрузки.

Pн=I^2*Rн=f(Rн)-мощность, выделяемая на нагрузке от сопротивления нагрузки Rн;

Pn1 = I1^2Rn1 = 0,0075^2 * 0 = 0 Вт

Pn2 = I2^2Rn2 = 0,007272 ^2 * 10 = 0,00053 Вт

Pn3 = I3^2Rn3 = 0,007059 ^2 * 20 = 0,001 Вт

Pn4 = I4^2Rn4 = 0,006667 ^2 * 40 = 0,00178 Вт

Pn5 = I5^2Rn5 = 0,006^2 * 80 = 0,00288 Вт

Pn6 = I6^2Rn6 = 0,00375 ^2 * 320 = 0,0045 Вт

Pn7 = I7^2Rn7 = 0,0015^2 * 1280 = 0,00288 Вт

Pn8 = I8^2Rn8 = 0,000833^2 * 2560 = 0,00178 Вт

Pn9 = I9^2Rn9 = 0,000451^2 * 5000 = 0,00102 Вт

Рисунок 6. График зависимости мощности выделяемой на нагрузке от сопротивления нагрузки.

η = 100%(Pн/Pи)=f(Rн)-коэффициент полезного действия(КПД) цепи от сопротивления нагрузке Rн

η1 = 100 * (0/0,018) = 0%

η2 = 100 * (0,00053/0,01745) = 3,03%

η3 = 100 * (0,001/0,017) = 5,88%

η4 = 100 * (0,0018/0,016) = 11,11%

η5 = 100 * (0,0028/0,014) = 20%

η6= 100 * (0,0045/0,0091) = 50%

η7 = 100 * (0,00288/0,0036) = 80%

η8 = 100 * (0,0018/0,002) = 88,89 %

η9= 100 * (0,00102/0,00108) = 93,98%

Рисунок 7. Построение зависимости КПД цепи от сопротивления нагрузки.

Таблица 1.

По предварительному расчёту
Rn, Ом	I, мА	Un, В	Рист, Вт	Pr, Вт	Pn, Вт	η, %
0	7,5	0	0,0180	0,0180	0	0
10	7,273	0,073	0,0175	0,0169	0,00053	3,03
20	7,059	0,141	0,0169	0,0159	0,00100	5,88
40	6,667	0,267	0,0160	0,0142	0,00178	11,11
80	6	0,48	0,01444	0,0115	0,00288	20,00
320	3,75	1,2	0,0090	0,0045	0,0045	50,00
1280	1,5	1,92	0,0036	0,00072	0,00288	80,00
2560	0,833	2,132	0,0020	0,00022	0,00178	88,89
5000	0,451	2,255	0,0011	0,000065	0,00102	93,98

Графики зависимостей для 1 схемы:

Рисунок 8. График зависимости тока от сопротивления нагрузки.

Выводы из графика: при увеличении сопротивления нагрузки уменьшается сила тока .

Рисунок 9. График зависимости напряжения от сопротивления нагрузки.

Выводы из графика: при увеличении сопротивления нагрузки увеличивается падение напряжения.

Рисунок 10. График зависимости мощности источника от сопротивления нагрузки.

Выводы из графика: при увеличении сопротивления нагрузки уменьшается мощность источника.

Рисунок 11. График зависимости мощности, выделяемой на внутреннем сопротивлении источника от сопротивления нагрузки.

Выводы из графика: при увеличении сопротивления нагрузки уменьшается мощность, выделяемая на внутреннем сопротивлении.

Рисунок 12. График зависимости мощности выделяемой на нагрузке от сопротивления нагрузки.

Выводы из графика: при увеличении сопротивления нагрузки мощность, выделяемой на нагрузке сначала растет (до R_н=r), а затем падает.

Рисунок 13. Построение зависимости КПД цепи от сопротивления нагрузки.

Выводы из графика: при увеличении сопротивления КПД цепи растёт.

Получено экспериментально
Rn, Ом	I, мА	Un, В	Рист, Вт	Pr, Вт	Pn, Вт	η, %
0	7,5	0	0,0180	0,0180	0	0
10	7,273	0,073	0,0175	0,0169	0,00053	3,03
20	7,059	0,141	0,0169	0,0159	0,00100	5,882
40	6,667	0,267	0,0160	0,0142	0,00178	11,111
80	6	0,48	0,01444	0,0115	0,00288	20,00
320	3,75	1,2	0,0090	0,0045	0,0045	50,00
1280	1,5	1,92	0,0036	0,00072	0,00288	80,00
2560	0,833	2,132	0,0020	0,00022	0,00178	88,889
5000	0,451	2,255	0,0011	0,000065	0,00102	93,985

Таблица 2

Цепь 2:

Рисунок 14. Схема цепи ИНУТ

Предварительный расчёт:

ИНУТ: γ = 3 Ом – управляющее сопротивление;

i(t) = 2sin(2πft) – управляющий ток, f = 2 кГц – частота;

Rн=100, 200 Ом– значения сопротивления нагрузки

Um = Im * γ – амплитуда напряжения.

Таблица 3.

По предварительному расчету				ЭВМ
Rн, Ом	γ, Oм	Im, A	Um, B	Um, B
100	3	2	6	6
200	3	2	6	6
100	3	3	9	9
200	3	3	9	9

Графики зависимостей для схемы 2:

Рисунок 15. Графики зависимости напряжения на нагрузке и управляющего тока от времени (на ЭВМ) при R_н=100Ом и I_m=2В.

Рисунок 16. Графики зависимости напряжения на нагрузке и управляющего тока от времени (на ЭВМ) при R_н=200Ом и I_m=2В.

Рисунок 17. Графики зависимости напряжения на нагрузке и управляющего тока от времени (на ЭВМ) при R_н=100Ом и I_m=3В.

Рисунок 18. Графики зависимости напряжения на нагрузке и управляющего тока от времени (на ЭВМ) при R_н=200Ом и I_m=3В.

Выводы из графиков: при изменении сопротивления нагрузки амплитуда напряжения на нагрузке не меняется и пропорциональна амплитуде управляющего тока.

Вывод: в ходе работы с помощью программы Micro-Cap получены внешние характеристики источника ЭДС. Результаты моделирования полностью совпали с предварительным расчётом.

Вопросы для самопроверки:

1. Какой источник называется источником ЭДС. Приведите примеры независимых и зависимых источников.

Источник ЭДС (электродвижущей силы) — это активный элемент с двумя зажимами, напряжение на которых не зависит от тока, проходящего через источник. Независимые источники (величина ЭДС (или тока) задаётся самостоятельно и не зависит от режимов работы других участков цепи) -батарея, аккумулятори тд; зависимый источник (величина ЭДС или тока определяется напряжением или током некоторого другого участка той же цепи) – ИТУН и ИНУТ.

2. Режимы работы источника ЭДС.

Источник ЭДС может работать в четырёх режимах:

a. Режим холостого хода – это режим, при котором сопротивление приемника стремится к бесконечности.

b. Номинальный режим – это режим, на который рассчитывается источник (т.е. напряжение, ток и мощность его соответствуют тем значениям, на которые он рассчитан заводами-изготовителями)

c. Согласованный режим – это режим, при котором в нагрузку отдается максимальная мощность.

d. Режим короткого замыкания – режим, при котором сопротивление приемника становится равным нулю.

3. Чему равно падение напряжения на нагрузке Uн при Rн = r?

При Rн = r ток в цепи: I = E/(r + Rн) = E/(2r) = 2,4/640 ≈ 3,75 мА.

Напряжение на нагрузке: Uн = I·Rн = 3,75 мА · 320 Ом = 1,2 В.

То есть при Rн = r напряжение на нагрузке равно ровно половине ЭДС источника (Uн = E/2).

4. Чему равна мощность, выделяемая на внутреннем сопротивлении источника Pr при Rн = r?

Мощность, выделяемая на внутреннем сопротивлении источника:

Pr = I²·r = (E / (r + Rн))² · r = E² / 4r² · r = E² / 4r = 2,4² / (4 · 320) = 0,0045 Вт.

Поскольку через r и Rн протекает один и тот же ток (последовательное соединение), а сопротивления при данном условии равны, мощность, выделяемая на внутреннем сопротивлении, в этом режиме точно равна мощности, выделяемой в нагрузке: Pr = Pн = 4,5 мВт.

5. Чему равен КПД при Rн = r?

КПД источника определяется как отношение мощности, полезно выделяемой в нагрузке, к полной мощности, отдаваемой источником:

η = Pн / Pист = (I² · Rн) / (I² · (r + Rн)) = Rн / (r + Rн)

При Rн = r: η = r / (r + r) = 1/2 = 50%.