МЕТОДИЧНІ РЕКОМЕНДАЦІЇ ДО ВИКОНАННЯ ЛАБОРАТОРНИХ РОБІТ Компьютерная электроника-Новая_copy

НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ БІОРЕСУРСІВ І ПРИРОДОКОРИСТУВАННЯ УКРАЇНИ ВІДОКРЕМЛЕНИЙ ПІДРОЗДІЛ НАЦІОНАЛЬНОГО УНІВЕРСИТЕТУ

БІОРЕСУРСІВ І ПРИРОДОКОРИСТУВАННЯ УКРАЇНИ «ІРПІНСЬКИЙ ЕКОНОМІЧНИЙ КОЛЕДЖ»

«КОМП’ЮТЕРНА ЕЛЕКТРОНІКА» МЕТОДИЧНІ РЕКОМЕНДАЦІЇ

ДО ВИКОНАННЯ ЛАБОРАТОРНИХ РОБІТ

Напрям "Комп'ютерна інженерія" Спеціальність 5.05010201

"Обслуговування комп'ютерних систем та мереж" Освітньо-кваліфікаційний рівень "Молодший спеціаліст" Денна форма навчання

ІРПІНЬ – 2015

http://lib.lntu.info/book/colleges/teh_lntu/2012/12-50/page1.html

http://toe.ho.ua/post/zad_03.html

http://rgr-toe.ru/articles/1-equivalent-transformations/

УДК 004.75 П 00

Методичні рекомендації до виконання лабораторних робіт з дисципліни «Комп’ютерна електроніка» містять тему, мету, завдання для лабораторних робіт, перелік питань для самоконтролю студентів і список рекомендованої літератури. Призначені допомогти студентам оволодіти навчальним матеріалом, сформувати у майбутніх фахівців навички практичної роботи з вимірювання параметрів елементів комп'ютерної електроніки, а також моделювання їх роботи за допомогою сучасних програмних засобів, таких як Electronic Workbench та ін.

Розглянуто і схвалено на засіданні циклової комісії комп’ютерних дисциплін ВП НУБіП України «Ірпінський економічний коледж».

Протокол № 1 від 29.08.2015р.

Рекомендовано до друку методичною радою ВП НУБіП України «Ірпінський економічний коледж».

Протокол№ 1 від 30.08.2015 р.

Укладач: Петрашенко О.М., викладач комп’ютерних дисциплін ВП НУБіП «Ірпінський економічний коледж».

Рецензенти: Костюченко Г.М, викладач комп’ютерних дисциплін ВП НУБіП «Ірпінський економічний коледж», спеціаліст вищої категорії.

Фрідріхсон Н.В., викладач комп’ютерних дисциплін ВП НУБіП «Ірпінський економічний коледж», спеціаліст вищої категорії.

«КОМП’ЮТЕРНА ЕЛЕКТРОНІКА» МЕТОДИЧНІ РЕКОМЕНДАЦІЇ

ДО ВИКОНАННЯ ЛАБОРАТОРНИХ РОБІТ для студентів денної форми навчання спеціальності 5.05010201

«Обслуговування комп’ютерних систем і мереж»

Укладач: Петрашенко О.М.,

Редактор: А.Г. Заболотна

Видавничий центр ВП НУБіП України «ІЕК» 08200, м. Ірпінь, вул. Гагаріна, 9

2

http://lib.lntu.info/book/colleges/teh_lntu/2012/12-50/page1.html

http://toe.ho.ua/post/zad_03.html

http://rgr-toe.ru/articles/1-equivalent-transformations/

3

http://lib.lntu.info/book/colleges/teh_lntu/2012/12-50/page1.html

http://toe.ho.ua/post/zad_03.html

http://rgr-toe.ru/articles/1-equivalent-transformations/

ВСТУП

Становлення України як економічно міцної європейської держави вимагає інтенсифікації виробництва за рахунок його інтелектуалізації. За таких умов, пріоритетного значення набуває проблема формування у молоді готовності до використання досягнень науково-технічного прогресу, зокрема в галузі новітніх інформаційних технологій, особливо – сучасних технологій роботи в локальних мережах ЕОМ та в глобальних телекомунікаційних мережах, залучення її до винахідницької та раціоналізаторської діяльності.

Політехнічне навчання учнів вимагає розвитку пізнавального інтересу, технічного мислення, елементів конструкторсько-технологічних знань та умінь. Працюючи над об’єктами конструювання, учні засвоюють принципи їх роботи, поглиблюють свої знання з фізики, математики, набувають навичок в читанні креслень, складанні ескізів, моделювання, плануванні технологічного процесу та організації творчої діяльності.

Лабораторні роботи з дисципліни «Комп'ютерна електроніка» дають можливість студентам закріпити на практиці пройдений теоретичний матеріал, проявити творчість при реалізації завдань з використанням сучасних програмних засобів комп'ютерного моделювання (програма Electronic Workbench та Multisim). До того ж дуже корисною рисою даного курсу лабораторних робіт є те, що студенту дається навик і розуміння суті математичного моделювання реальних фізичних процесів та електронних приладів комп'ютерної техніки. Порівняння результатів математичного моделювання електронних приладів і схем з вимірами на реальних схемах дозволяє підвищити якість навчання з даної дисципліни.

4

http://lib.lntu.info/book/colleges/teh_lntu/2012/12-50/page1.html

http://toe.ho.ua/post/zad_03.html

http://rgr-toe.ru/articles/1-equivalent-transformations/

Лабораторна робота № 1.

Провідникові матеріали. Закони Кірхгофа. Закон Ома.

Мета: Вивчення принципів дії та основних властивостей провідників. Перевірка законів Кірхгофа і Ома.

Програмне забезпечення: програмне забезпечення комп'ютерного моделювання електронних схем (програма Electronic Workbench, Multisim).

Основні теоретичні відомості

В якості провідників електричного струму можуть бути використані як тверді тіла, так і рідини, а при відповідних умовах і гази. Найважливішими практично застосовуваними в електротехніці твердими провідниковими матеріалами є метали та їх сплави.

З металевих провідникових матеріалів можуть бути виде¬лени метали високої провідності, що мають питомий опір при нормальній температурі не більше 0,05 мкОм м, і сплави високого опору, що мають при нормальній температурі не менше 0,3 мкОм м. Метали високої провідності використовуються для проводів, струмопровідних жил кабелів, обмоток електричних машин і трансформаторів і т. п. Метали і сплави високого опору застосовуються для виготовлення резисторів, електронагрівальних приладів, ниток ламп розжарювання і т. п.

Механізм проходження струму в металах - як у твердому, так і в рідкому стані - обумовлений рухом (дрейфом) вільних електронів під впливом електричного поля; тому метали називають провідниками з електронною електропровідністю або провідниками першого роду. Провідниками другого роду, або електролітами, є розчини (зокрема, водні) кислот, лугів і солей. Проходження струму через ці речовини пов'язане з перенесенням разом з електричними зарядами іонів відповідно до законів Фарадея, внаслідок чого склад електроліту поступово змінюється, а на електродах виділяються продукти електролізу. Іонні кристали в розплавленому стані також є провод¬нікамі другого роду.

Всі гази і пари, в тому числі і пари металів, при низьких напруженостях електричного поля не є провідниками. Однак, якщо напруженість поля перевершить деяке критичне значення, що забезпечує початок ударної і фотоіонізації, то газ може стати провідником з електронною та іонною електропровідністю. Сильно іонізований газ при рівності числа електронів числа позитивних іонів в одиниці об'єму являє собою особливу провідне середовище, що носить назву плазми.

5

http://lib.lntu.info/book/colleges/teh_lntu/2012/12-50/page1.html

http://toe.ho.ua/post/zad_03.html

http://rgr-toe.ru/articles/1-equivalent-transformations/

Властивості провідників.

До найважливіших параметрів, що характеризує властивості провідникових матеріалів, відносяться:

1)питома провідність або зворотна їй величина - питомий опір ,

2)температурний коефіцієнт питомого опору ТК або ,

3)коефіцієнт теплопровідності т,

4)контактна різниця потенціалів і термоелектрорушійна сила (термо-ЕРС),

5)робота виходу електронів з металу,

6)межа міцності при розтягуванні р і відносне подовження перед розривом

l / l.

Питома провідність і питомий опір провідників. Зв'язок щільності струму J (в амперах на квадратний метр) і напруженості електричного поля (у вольтах на

(диференціальна форма закону Ома); тут (в Сіменс на метр) параметр провідникового матеріалу, званий його питомою провідністю: відповідно до закону Ома у металевих провідників не залежить від напруженості електричного поля Е при зміни останньої в досить широких межах. Величина = 1 / , зворотна питомої провідності і звана питомим опором, для має опір R провідника довжиною l з постійним поперечним перерізом S обчислюється за формулою

Питомий опір вимірюється в ом-метрах. Для вимірювання провідникових матеріалів дозволяється користуватися позасистемної одиницею Ом мм2 / м; очевидно, що дріт з матеріалу довжиною 1 м з поперечним перерізом 1 мм2 має опір в Омах, чисельно одно матеріалу в Ом мм2 / м.

Діапазон значень питомого опору металевих провідників (при нормальній температурі) досить вузький: від 0,016 для срібла і до приблизно 10 мкОм м для железохромоалюмініевих сплавів, тобто він займає всього три порядки. Питома провідність металевих провідників згідно з класичною теорією металів може бути виражена таким чином:

http://lib.lntu.info/book/colleges/teh_lntu/2012/12-50/page1.html

http://toe.ho.ua/post/zad_03.html

http://rgr-toe.ru/articles/1-equivalent-transformations/

де е - заряд електрона; n0 - число вільних електронів в одиниці об'єму металу; - середня довжина вільного пробігу електрона між двома зіткненнями з вузлами решітки; m - маса електрона; T - середня швидкість теплового руху вільного електрона в металі.

Рис. 1.1. Залежність питомого опору міді від температури.

Закони Кірхгофа.

При аналізі роботи багатьох електротехнічних приладів приходиться мати справу зі складними електричними колами та їх схематичними зображеннями, схеми заміщення яких містять як пасивні, так і активні елементи. Основними топологічними поняттями теорії електричних кіл є вітка, вузол, контур, двополюсник, чотириполюсник, граф схеми електричного кола, дерево і зв’язок графа схеми.

Віткою називається ділянка електричного кола з одним і тим же струмом. Вітка може складатися з одного пасивного або активного елемента, а також може бути послідовним з’єднанням кількох елементів. На рис. 1.2. наведена схема електричного кола з п’ятьма вітками.

Вузлом називають місце з’єднання трьох і більше віток. Розрізняють потенціальні та геометричні вузли. На малюнку маємо чотири геометричні вузли:1, 2, 3, 3/. Геометричні вузли 3, 3/ мають однакові потенціали, тому їх при розрахунках можна об’єднати в один-потенціальний вузол. Контуром називають замкнений шлях, що проходить через кілька віток і вузлів. На малюнку як приклад можна виділити контур 1-2-3-3/.

7

http://lib.lntu.info/book/colleges/teh_lntu/2012/12-50/page1.html

http://toe.ho.ua/post/zad_03.html

http://rgr-toe.ru/articles/1-equivalent-transformations/

Рис. 1.2. Схема електричного кола з п’ятьма вітками

Перший закон Кірхгофа.

Розрахунок складних електричних кіл з розгалуженнями значно спрощується, коли використовувати закони Кірхгофа. Перший закон Кірхгофа відноситься до вузлів електричного кола. Користуються таким правилом знаків: струми, що входять у вузол електричного кола, вважаються більшими нуля, ті, що виходять, вважають від’ємними. На рис.1.3. зображено вузол електричного кола та вказані напрямки струмів, згідно із вищенаведеним правилом знаків струми І1, І2 вважаються більшими нуля, струми І3, І4 матимуть від’ємне значення.

Перший закон Кірхгофа виражає закон збереження заряду для лінійних віток електричного кола.

Перше правило Кірхгофа. В кожному вузлі електричного кола алгебраїчна сума значень сил струмів, що сходяться у даному вузлі, рівна нулю, або, алгебраїчна сума сил струмів, вхідних у вузол електричного кола, рівна алгебраїчній сумі вихідних з вузла значень сил струмів. Для вузла електричного кола, зображеного на малюнку, перший закон Кірхгофа запишеться:

,

або

В загальному випадку для вузла електричного кола, який є спільним для віток електричного кола, отримаємо

8

http://lib.lntu.info/book/colleges/teh_lntu/2012/12-50/page1.html

http://toe.ho.ua/post/zad_03.html

http://rgr-toe.ru/articles/1-equivalent-transformations/

Справедливість рівності 1.4. випливає із таких міркувань : якби вона не виконувалась, то в досліджуваному вузлі електричного кола відбувалось би накопичення чи зменшення електричного заряду, внаслідок чого змінювався б потенціал вузла або напруженість електричного поля, тому струми з часом не могли б залишатис я постійними. Таким чином, щоб струм в колі залишався постійним, рівність 1.4. повинна виконуватись.

Другий закон Кірхгофа.

Друге правило Кірхгофа є наслідком закону Ома і стосується будьякого замкнутого контура в складному електричному колі. Для використання другого закону Кірхгфа потрібно задати додатній напрям обходу контуру, який найчастіше вибирають так, щоб він співпадав з напрямком руху стрілки годинника. Струми, які співпадають з напрямком обходу контуру, вважаються додатними, в протилежному випадку-від’ємними. Часто напрям струму у вітках електричного кола невідомий, тому при розрахунках цей напрям можна вибирати довільно і якщо в результаті обчислень отримаємо

силу струму з від’ємним значенням, то напрям буде протилежний до раніше вибраного. ЕРС при обчисленнях вважається більшою від нуля, якщо в напрямку додатнього обходу контура потенціал в джерелі ЕРС зростає. Сформулюємо друге правило Кірхгофа: алгебраїчна сума добутків сил струму на окремих вітках замкнутого контура на опір кожної вітки рівна алгебраїчній сумі ЕРС діючих в даному контурі:

Для доведення справедливості записаного рівняння достатньо розглянути довільний замкнутий контур, який складається, наприклад з трьох віток (рис.1.4). Запишемо закон Ома для кожної з віток електричного кола, схема якого зображена на рис.1.4.

9

http://lib.lntu.info/book/colleges/teh_lntu/2012/12-50/page1.html

http://toe.ho.ua/post/zad_03.html

http://rgr-toe.ru/articles/1-equivalent-transformations/

де - потенціали вузлів 1, 2, 3 відповідно.

Додамо рівняння (1.6.),(1.7.), (1.8.).

, (1.9.)

провівши спрощення потенціалів ,отримаємо

.

Отримали формулу 1.5., для нашого випадку, тобто друге правило Кірхгофа. Також з проведених міркувань видно, що друге правило Кірхгофа є наслідком закону Ома для неоднорідної ділянки кола.

З рівності 1.9. бачимо, що алгебраїчна сума напруг вздовж будь якого замкнутого контура рівна нулю

.

Останню рівність для розглянутої схеми електричного кола можна записати

,

або через потенціали,

.

Правила Кірхгофа в кожному конкретному випадку дозволяють записати повну систему лінійних рівнянь, із якої можуть бути знайденні всі невідомі струми. В таку систему не входять невідомі різниці потенціалів. У відсутності потенціалів для рівнянь зі струмами і полягають спрощення, що даються правилами Кірхгофа порівняно з законом Ома.

Закон Ома.

Відомо, що струмом називається впорядкований рух заряджених частинок, а

також те, що умовами виникнення струму є наявність у провіднику вільних носіїв заряду, та існування сил, під дією яких ці частинки будуть рухатися. З цього випливає, що всередині провідника, по якому проходить постійний струм, існує стаціонарне (не змінне в часі) електричне поле. Джерелом цього поля можуть бути тільки електричні заряди. В однорідних провідниках з постійним струмом ці заряди зосереджені на їх поверхнях. Вони є джерелом електричного поля в провіднику і забезпечують наявність постійного струму. Поверхневі заряди і їх розподіл на провідниках, який заб езпечує виникнення електричного поля в цих провідниках, зумовлюються підключенням джерела струму.

10