2.5. Требования безопасности по окончании работы.

2.5.1. После окончания работы все записи должны быть воспроизведены в протоколах у каждого члена бригады.

8

2.5.2 Результаты измерений должны быть проверены немедленно после опыта. Для этого, не разбирая схемы, каждый член бригады должен в своем протоколе произвести необходимые вычисления и построить графики и векторные диаграммы в масштабе, расположение точек на кривых может указать на ошибки измерений. Точки, выпадающие из плавной кривой, должны быть проверены еще раз.

3. К составлению заключения по работе следует относиться с особым вниманием. Должен быть сделан анализ полученных результатов и выводов по ним, проведено сопоставление полученных с известными из теории положений. Имеющиеся несоответствия должны быть обнаружены и объяснены. В тех случаях, когда работа содержит несколько вопросов, заключение по каждому из них делается до завершения эксперимента в целом.

4. В протоколе выполнения лабораторной работы, содержащей полученные экспериментальные данные, а также основные вычисления, графики, векторные диаграммы и выводы по работе предъявляются После чего студент приступает к оформлению отчета. Схема разбирается, провода и руководство по лабораторной работе сдаются в конце занятия.

5. Отчет пишется по установленной форме. В отчете должны быть указаны факультет, группа, курс, фамилия и инициалы студента, наименование и номер лабораторной работы. Отчет должен содержать план работы, таблицы, вычисления и измерения, графики, векторную диаграмму, электрические схемы опытов, а также основные расчетные формулы.

2.5.6. В отчете должны быть записаны также технические характеристики машин, вспомогательной аппаратуры и устройств.

2.5.7. Оформленный отчет защищается на протяжении 4-го часа занятий. В исключительных случаях разрешается заканчивать оформление отчета к следующему занятию. Защита отчета в этом случае производится на третьем часе занятия. Отчет считается принятым, если студент имеет ясные представления о цели работы, порядке ее выполнения и результатах при надлежащем оформлении отчета.

9

3. ОПИСАНИЕ УНИВЕРСАЛЬНОГО ЛАБОРАТОРНОГО СТЕНДА

(УЛС)

Стенд электрический универсальный предназначен для постановки экспериментов и лабораторных работ в области электротехники и электроники.

АМПЕРМЕТРЫ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА			ВОЛЬТМЕТРЫ		АМПЕРМЕТРЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА
СМЕННАЯ ПЛАТА №1		СМЕННАЯ ПЛАТА №2		СМЕННАЯ ПЛАТА №3
ПЛАТА СЕТЕВОГО ВЫКЛЮЧАТЕЛЯ	источник ОДНОФАЗНОГО ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ		ИСТОЧНИК ТРЕХФАЗНОГО НАПРЯЖЕНИЯ	ИСТОЧНИК ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ 12В		ИСТОЧНИК ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ SB

Рисунок П.1 Универсальный лабораторный стенд

УЛС (рис. П.1) включает в себя три основных части (блока):

• блок питания и защиты (1);

• блок измерительных приборов (2);

• блок сменных плат (3).

Кроме того, для выполнения ряда лабораторных работ используется оборудование, которое конструктивно не входит в состав УЛС:

• осциллограф;

• ваттметр.

В состав блока питания входят:

Рисунок П.2. Источник однофазного

переменного (синусоидального)

напряжения

1. Источник однофазного переменного (синусоидального) напряжения, (рис П.2).

Источник регулируемый. Регулирование дискретное

Переключателем устанавливаются действующие значения напряжения: 0; 6; 12; 18 и 24В синусоидального напряжения (частота f = 50Гц). Отключение источника осуществляется выключателем. Указанные величины действующего значения напряжения ориентировочные. В процессе выполнения лабораторных работ уточняются величины напряжений, отвечающие каждому положению переключателя источника.

Предусмотрена автоматическая защита при увеличении тока источника свыше 1А. О срабатывании защиты сигнализирует пульсирующее световое табло «Защита», В случае срабатывания защиты необходимо:

а) выключателем отключить источник от сети;

б) перевести переключатель источника в положение «0»;

в) устранить причину недопустимого увеличения тока;

г) повторно включить источник и перевести переключатель в нужное положение.

2. Источник трехфазного напряжения (рис. П.З).

Рисунок П.З. Источник трехфазного напряжения

Источник регулируемый. Регулирование дискретное.

Переключателем устанавливаются следующие уровни трехфазных напряжений источника: 0; 6; 12; 18 и 24В. Выведена нейтральная точка источника (обозначена «0»), что позволяет использовать в лабораторной работе «Трехфазные цепи», также и фазные напряжения источника. Действующее значение линейного напряжения источника (U_л) для каждого положения переключателя связано с действующим значением фазного напряжения (U_ф) соотношением:

Уточнение значений линейных и фазных напряжений источника осуществляется в процессе выполнения лабораторных работ.

Предусмотрена автоматическая защита источника при увеличении линейного тока свыше 1А. Повторное включение источника после срабатывания защиты осуществляется в той же последовательности, что и повторное включение источника однофазного напряжения.

10

11

3. Источник постоянного напряжения 12 В (рис П.4).

Рисунок П.4. Источник постоянного напряжения 12 В

В состав блока приборов входят:

1. Четыре амперметра переменного тока (рис. П.6). Каждый амперметр снабжен переключателем, с помощью которого изменяются пределы измерения амперметра: 0,1; 0,2; 0,5 и 1 А.

2. Два вольтметра (рис. П.7).

Вольтметр переменного напряжения с переключением предела измерения: 5; 10; 20 и 50В. Вольтметр постоянного напряжения с переключением предела измерения: 2; 5; 10 и 20В.

3. Два амперметра постоянного тока (рис. П.8).

Первый амперметр имеет переключение предела измерения: 0,1; 0,2; 0,5 и 1А. Второй амперметр (миллиамперметр) имеет переключение предела измерения: 5; 10; 20 и 50мА.

Рисунок П.6. Амперметры переменного тока

Источник регулируемый. Величина напряжения регулируется плавно в диапазоне 0-12В потенциометром (регулятором), выведенным на лицевую панель источника. При увеличении тока источника свыше 1А срабатывает защита, о чем сигнализирует пульсирующее световое табло «Защита». Повторное включение источника после срабатывания защиты осуществляется в той же последовательности, что и включение источников, описанных ранее.

4. Источник постоянного напряжения 5 В (рис П.5).

Рисунок П.5 Источник постоянного напряжения 5 В

Источник регулируемый. Диапазон регулирования 0-5 В. В остальном этот источник аналогичен источнику 12В, описанному выше.

Рисунок П.7. Вольтметры

Рисунок П.8. Амперметры постоянного тока

Блок сменных плат.

Сменные платы №1 и №2 используются при проведении лабораторных работ по разделу «Линейные электрические цепи переменного тока» (рис. П.9 - П.10):

• Вольт-амперные характеристики и параметры резистора, катушки индуктивности и конденсатора.

• Резистор, катушка индуктивности и конденсатор в цепи переменного тока.

• Электрические цепи с резистором, катушкой индуктивности и конденсатором.

• Однофазные цепи переменного тока.

• Резонансы напряжений и токов.

• Трехфазные цепи.

• Переходные процессы в цепях постоянного тока.

12

13

Рисунок П.9. Сменная плата №1

Рисунок П.10. Сменная плата №2

Сменная плата №3 обеспечивает выполнение первого цикла лабораторных работ по разделу «Основы электроники»:

• Полупроводниковый диод.

• Стабилитрон.

• Тиристор.

• Неуправляемый выпрямитель однофазного тока.

• Управляемый выпрямитель однофазного тока.

Сменная плата №1 (рис. П.9) содержит:

1. Три одинаковых резистора. Каждый резистор имеет переключатель, с помощью которого осуществляется дискретное изменение сопротивления R резистора. Переключатель имеет три положения, которым отвечают фиксированные значения сопротивления: R1, R2KR3.

2. Три одинаковых конденсатора. С помощью переключателей емкость С каждого конденсатора может принимать три фиксированных значения: С1, С2 и СЗ.

Сменная плата №3 (рис П.11) включает в себя 1 Группу полупроводниковых диодов.

2. Группу стабилитронов.

3. Группу тиристоров.

4. Генератор управляемых импульсов (ГУИ). ГУИ используется для управления моментом (углом) включения тиристоров. Обеспечивается плавная регулировка угла

тиристоров в диапазоне 0 - π рад.

Рисунок П.11. Сменная плата №3

5. Трансформатор

Сменная плата №2 (рис. П. 10) содержит:

1. Три одинаковые катушки индуктивности. С помощью переключателей параметры каждой катушки (индуктивность L и сопротивление R_K) могут принимать три пары фиксированных значений: и , L₂ и , и

2. Дополнительный резистор с небольшим сопротивлением. Этот резистор используется для получения сигналов по току.

3. Коммутатор - контакт, периодически находящийся в замкнутом и разомкнутом состоянии. Частота работы коммутатора 50 Гц. Коммутатор используется в лабораторной работе «Переходные процессы».

14

15

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1

Вольт-амперные характеристики и параметры резистора, катушки индуктивности и конденсатора.

Цель работы: Изучение трех основных элементов электрических цепей - резистора, катушки индуктивности и конденсатора; приобретение навыков снятия вольт-амперных характеристик и определения параметров элементов электрических цепей переменного тока.

Снятие вольт-амперных характеристик. В данной лабораторной работе резистор, катушка индуктивности (без ферромагнитного сердечника) и конденсатор исследуются только при синусоидальных

напряжениях и токах. В этих условиях вольтамперная характеристика

элемента электрической цепи есть зависимость между действующим значением напряжения, подаваемого на элемент, и действующим значением тока, потребляемого этим элементом.

U = U(I) или I = I(U).

Вольт-амперные характеристики снимаются по схеме, показанной на рис. 1.1. Схема собирается на универсальном лабораторном стенде, краткое описание которого дано в приложении.

Исследуемый элемент (либо резистор, либо катушка индуктивности, либо конденсатор), представленный на рисунке 1.1 комплексным сопротивлением Z, подключается к клеммам 1 и 2. При сборке схемы в качестве точек 1 и 2 удобно использовать группы свободных контактов, имеющихся на стенде.

Рисунок 1.1. Схема Действующие значения напряжения U и тока

измерительного стенда I, по которым строится вольтамперная характеристика, измеряются соответственно вольтметром V и амперметром А. На вход схемы от дискретно регулируемого источника подается синусоидальное входное напряжение . Диапазон регулирования действующего значения входного напряжения указан на источнике.

По мере изменения действующего значения входного напряжения фиксируются соответствующие пары величин U и I, по которым строится вольт-амперная характеристика.

В процессе проведения этого и последующих опытов, помимо всех обычных требований по технике безопасности, следует.

1. перед каждым переключением в схеме необходимо переводить переключатель источника в положение «0»,

2. постепенно увеличивать входное напряжение, контролируя показания всех измерительных приборов (во избежание их зашкаливания).

На сменной плате №1 стенда имеются три резистора (рис П9). В лабораторной работе исследуется только один резистор при трех положениях переключателя, изменяющего величину сопротивления R резистора Таким образом, снимаются три вольт-амперные характеристики, отвечающие трем значениям сопротивления R₁ R₂ и R₃. Результаты измерений заносятся в таблицу 1.1.

Таблица 1.1.

Вольт-амперные характеристики резистора

Номер измерения	Положение переключателя	Измерено		Вычислено
		U,B	I, A	Z, Ом

В лабораторной работе исследуется только одна из трех катушек индуктивности, имеющихся на стенде. Снимаются три вольт-амперные характеристики, отвечающие трем положениям переключателя этой катушки. Результаты измерений заносятся в таблицу 1.2.

Таблица 1.2 Вольт-амперные характеристики катушки индуктивности

Номер измерения	Положение переключателя	Измерено			Вычислено
		U,B	I, А	P, Вт	Z, Ом	RK, Ом

Аналогичным образом снимаются три вольт-амперные характеристики одного из конденсаторов, отвечающие трем положениям его переключателя Результаты измерений заносятся в таблицу 1.3.

Таблица 1.3.

Вольт-амперные характеристики конденсатора

Номер	Положение переключателя	Измерено		Вычислено
измерения		U,B	I, А	Z, Ом

По результатам таблиц 1.1 -1.3 строятся вольт-амперные характеристики резистора, катушки индуктивности и конденсатора (по три характеристики для каждого элемента).

Определение параметров исследуемых элементов. Основными электрическими параметрами исследуемых элементов являются:

а) для резистора - сопротивление R;

б) для катушки индуктивности - индуктивность L и сопротивление Rk;

17

в) для конденсатора - емкость С.

На рисунке 1.2 показаны схемы замещения этих элементов, включающие указанные электрические параметры.

Рисунок 1.2. Принятые в лабораторной работе схемы замещения: а - резистор; б - катушка индуктивности; в - конденсатор.

Электрические параметры электротехнических устройств определяются их конструктивными и физическими параметрами. Например, сопротивление резистора зависит от величины удельного сопротивления р, длины l и площади поперечного сечения S проводника, из которого изготовлен резистор;

Этой зависимостью можно воспользоваться и для определения сопротивления R_K катушки индуктивности.

Индуктивность L тороидальной катушки (а также длинной цилиндрической катушки) связана с ее физическими и конструктивными параметрами выражением

(1.1)

где ц_а - абсолютная магнитная проницаемость среды, в которой располагается магнитное поле катушки; со - число витков катушки; S -площадь поперечного сечения поля в катушке; l - длина средней силовой магнитной линии в катушке.

Емкость С плоского конденсатора определяется абсолютной диэлектрической проницаемостью ε_а среды между обкладками конденсатора, площадью S обкладок и расстоянием h между обкладками:

Аналогичные формулы получены и для других конструктивных исполнений рассматриваемых элементов Однако воспользоваться этими формулами для практического определения искомых электрических параметров в большинстве случаев не удается. Экспериментальное определение многих величин, входящих в эти формулы, представляет собой достаточно трудную задачу, так как связано с необходимостью «заглянуть» внутрь элементов, что, как правило, приводит к их разрушению.

Широкое применение получил косвенный метод определения электрических параметров элементов электрических цепей. Метод основан на применении закона Ома в символической форме:

(1.2)

где У и I - комплексы синусоидальных напряжений и тока исследуемого элемента; Z - комплексное сопротивление этого элемента, которое в общем случае (для любого элемента) имеет вид

(1.3)

где г - активное; х - реактивное сопротивление

Из (1.2) следует взаимосвязь между действующими значениями напряжения U и тока I:

(1.3) где Z - полное сопротивление, записываемое в виде

(1.4)

Согласно принятым схемам замещения исследуемых элементов (см. рис. 1.2)

а) для резистора

где

поэтому из выражения (1.4) находим

(1.5)

I8

б) для катушки индуктивности

Где

(1.6)

(1.7)

и из выражения (1.4) получаем

(1.8)

в) для конденсатора

где

(1.9)

и согласно (1.4) имеем

(1.10)

Выражения (1.3) - (1.10) связывают величины действующих значении напряжения и и тока I, измеряемые на исследуемых элементах, с искомыми электрическими параметрами этих элементов В этом и состоит сущность используемого в данной лабораторной работе метода экспериментального определения параметров резистора катушки индуктивности и конденсатора, для которого достаточно измерений, сделанных в процессе снятия вольт-амперных характеристик.

Подстановка величин U и I из таблицы 1.1 в формулу (1 3) позволяет вычислить полное сопротивление Z резистора (для каждого положения переключателя).

Так как при каждом положении переключателя было сделано несколько замеров величин U и I, то будет определено несколько значений величины Z (заносятся в таблицу 1.1), которые из-за погрешностей эксперимента могут незначительно отличаться друг от

друга Эти значения величины Z усредняются и согласно равенству (1.5) дают искомые значения сопротивления R резистора, отвечающие соответствующим положениям переключателя.

Итоговые (после усреднения) значения Z и R заносятся в таблицу 1.4.

Аналогично определяется емкость конденсатора. Согласно формуле (1.3) по данным таблицы 1.3 находятся величины Z; они усредняются в соответствии с равенством (1.10) дают емкостное сопротивление х_с конденсатора. Далее из выражения (1.9) вычисляется емкость С:

(при частоте входного напряжения f = 50 Гц угловая частота

= 314 рад/с).

Таблица 1.4

	Параметры исследуемых элементов
Элемент	Положение переключателя	Параметры
		Z, Ом			R, Ом
Резистор	1
	2
	3
Катушка индуктивности		Z, Ом	RK, Ом		, Ом		L, Гц
	1
	2
	3
Конденсатор		Z, Ом		Хс, ОМ		С, мкф
	1
	2					_,
	3	i

Расчет величин Z, Х_с и С повторяется для трех положений переключателя. Результаты расчета заносятся в соответствующие графы таблицы 1.4.

В отличие от резистора и конденсатора катушка индуктивности характеризуется двумя параметрами - индуктивностью L и сопротивлением R_K. Поэтому определение параметров катушки оказывается более сложным.

На основании формулы (1.3) вычисляются значения полного сопротивления Z катушки (исходные данные берутся из таблицы 1.2). Полученные значения усредняются (отдельно для каждого положения переключателя).

21

Для определения сопротивления R_K катушки используется взаимосвязь активной мощности Р с активным сопротивлением элемента и действующим значением тока I, протекающего по элементу.

Отсюда, учитывая, что в данном случае '" = Л_А , находим

Таким образом, измерив величины Р и I, можно найти искомое сопротивление R_K (именно с этой целью в схему на рисунке 1.1 введен ваттметр W, а в таблице 1.2 предусмотрена графа «Р».

Полученные по данным таблицы 1.2 значения R_K усредняются. Далее на основании формулы (1.8) определяется индуктивное сопротивление x_L катушки

и затем согласно выражению (1.7) находится искомая индуктивность L

Результаты расчета величин Z, R_K, X_L и L, вычисленные для трех положений переключателя, заносятся в соответствующие графы таблицы 1.4.

В результате проведения всех расчетов полностью заполняется таблица 1.4. Найденные числовые значения параметров исследуемых элементов будут неоднократно использоваться при выполнении следующих лабораторных работ.