МЕТОДИЧНІ РЕКОМЕНДАЦІЇ ДО ВИКОНАННЯ ЛАБОРАТОРНИХ РОБІТ Компьютерная электроника-Новая_copy
.pdf
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/
Стаціонарне електричне поле постійного струму всередині провідника створюється нерухомими, постійними в часі поверхневими зарядами. У цьому відношенні електричне поле постійного струму за своєю природою є кулонівським полем, воно аналогічне електростатичному полю нерухомих зарядів, і має потенціальний характер.
Проте, між електростатичним і стаціонарним полями є істотні відмін ності. У провіднику, поміщеному в електростатичне поле, відбувається короткочасне зміщення вільних зарядів до поверхні провідника, після чого настає стан рівноваги. При рівновазі зарядів напруженість поля всередині провідника Е=0, а поблизу поверхні вектор Е перпендикулярний до поверхні. За цих умов потенціал поля в усіх точках уздовж провідника стає однаковим і упорядковане перенесення зарядів є неможливим. Стаціонарне електричне поле постійного струму існує всередині провідника. Уздовж провідника в напрямі потенціал поля змінюється.
Отже, стаціонарне електричне поле постійних струмів є потен ціальним силовим полем і можна говорити про потенціал окремих точок провідника, по якому проходить струм, або про різницю потенціалів між ними. Уздовж провідника в напрямі струму потенціал монотонно зменшується від значення φ1, на одному з його кінців, до значення φ2 на другому. Різницю потенціалів φ1- φ2 =U називають спадом напруги на провіднику. Якщо струму немає, то говорять про напругу (наприклад, в електророзетці); у цьо му разі спаду напруги немає.
Один із найважливіших законів учення про електричні явища, що пов'язує між собою силу струму, напругу і опір для ділянки кола, встановив німецький учитель фізики і вчений Георг Сімон Ом (Ом Георг Сімон (1787—1854) — німецький фізик, учитель математики, фізики. Основні праці, присвячені електриці, акустиці, оптиці. У 1826 р. експериментально встановив закон, що об'єднав такі фізичні величини, як сила струму, напруга,
опір. У 1827р. теоретично обгрунтував закони (Ома) для ділянки та повного кола. Цей закон і був названий його іменем.
Частина схеми установки, за якою працював цей вчений, зображена на рис. 1.5. Вимірюючи спад напруги - U, за допомогою вольтметра, на ділянці кола з сталим
опором R, та силу струму І, використовуючи амперметр, провів велику кількість дослідів. У результатах спостерігались закономірності, а саме, було помічено, що
І~U. (1.10.)
Перейшовши від пропорційності до рівності, отримаємо
, |
(1.11.) |
- називається провідністю провідника, крім того ця величина стала. Величина обернена до провідності називається опором
. (1.12.)
11
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/
Використовуючи 1.12. формула 1.11. набуде вигляду
. (1.13.)
Порядок виконання роботи
1.Зберіть в програмі Electronic Workbench (Multisim) послідовно схеми рис.1.6- 1.8.
2.Для кожної схеми рис.1.6-1.7 виміряйте зазначені величини струмів, а також виміряйте напруги між пронумерованими вузлами схем.
3.Для схеми на рис. 1.8 задайте послідовно напруга U = 20В, 40В, 60В і занесіть результати виміряних на вузлах напруг в таблицю.
4.Проаналізуйте отримані дані. Зробіть аналіз схеми, використовуючи інструменти індикації..
5.Поміняйте значення опорів на свій розсуд і виміряйте знову необхідні струми в гілках і напруги між вузлами. Занесіть дані вимірювань в таблицю і
порівняйте їх з попередніми результатами. Зробіть висновки на підставі законів Кірхгофа і Ома.
6.Занесіть пояснення щодо створення схем у звіт.
7.Зробіть висновки.
12
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/
Питання для самостійної роботи
1.1Дайте визначення електричного кола
1.2Перелічите основні закони електричних кіл
1.3Як ураховуються напрямі струмів у першому законі Кирхгофа
1.4Основни відомості про джерела ЕРС і джерела струму
1.5Викладіть суть методу розрахунку кіл за законами Кирхгофа
1.6Викладить суть методу розрахунку кіл по методу контурних струмів
1.7Викладить суть методу розрахунку кіл по методу двох вузлів.
13
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 № 2.
Еквівалентні перетворення пасивних ділянок електричних кіл. Перетворення активного «трикутника» на активну «зірку».
Мета роботи
Здійснити еквівалентні перетворення сполучення резисторів симетричною «зіркою» на сполучення резисторів «трикутником» та навпаки.
Порівняти данні моделювання наданих кіл з результатами теоретичного аналізу лінійного кола.
Підготовка до роботи
При підготовці до роботи необхідно:
1.Ознайомитися з порядком виконання роботи і методичними вказівками.
2.Скласти протокол звіту з лабораторної роботи.
3.Дати відповіді на наступні питання:
а) Яку дію називають еквівалентним перетворенням електричного кола? Які види еквівалентних перетворень Ви знаєте?
б) Яке сполучення опорів електричного кола називається «зіркою»? «Трикутником»?
в) Як замінити з’єднання опорів «зіркою» на еквівалентний «трикутник»? «Трикутник» на еквівалентну «зірку»?
г) Яким чином можна упевнитись в еквівалентності перетворення частини електричного кола?
Основні теоретичні відомості
Сполучення трьох резисторів, які утворюють сторони трикутника, називають «трикутником» (рис. 2.1,а). «Зірка» – це з’єднання трьох резисторів, яке має вигляд трипроменевої зірки (рис. 2.1,б). У вузлах 
, 
, 
«зірка» і «трикутник» зв’язані з рештою схеми.
14
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. 2.1. Схема заміщення частини кола: сполучення трьох резисторів трикутником» (а), «зіркою» (б).
Правило еквівалентного перетворення «трикутника» опорів на «зірку»:
Опір променя зірки, приєднаного до вузла а, визначається як добуток двох опорів віток трикутника, прилеглих до вузла а, поділений на суму опорів усіх трьох віток трикутника:
2.1
Правило еквівалентного перетворення «зірки» опорів на «трикутник»:
Опір сторони трикутника між вузлами а і b дорівнює сумі опорів променів зірки, прилеглих до вузлів а і b, та їхнього добутку, поділеному на опір третього променя зірки:
2.2
Резистори з’єднані мішано, якщо деякі із сукупності резисторів з’єднані послідовно, деякі паралельно, а деякі, можливо, «трикутником» або «зіркою». Еквівалентний опір кола з мішаним з’єднанням резисторів відносно вхідних затискачів розраховується поетапно – схема нібито згортається до одного еквівалентного елемента. Розпочинати згортання слід з еквівалентних перетворень елементів, увімкнених якнайдалі від вхідних затискачів.
15
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/
Порядок виконання роботи
1.Зберіть в програмі Electronic Workbench (Multisim) послідовно схеми рис.2.1-2.3.
2.Для кожної схеми розрахуйте еквівалентний опір (між затискачами а і b), як показано на малюнку.
3.Подайте на затискачі а і b напругу 50 В і виміряйте за допомогою амперметрів струм I. Розрахувати за законом Ома еквівалентний опір між затискачами а і b. Виміряйте струми у всіх гілках і перевірте справедливість закону Кирхгофа.
4.Занесіть результати вимірів і розрахунків у звіт.
5.Зробіть висновки.
Рис. 2.1. Знайти еквівалентний опір для наступного ланцюга між затискачами а і b
- Rab.
Рис. 2.2. Визначити еквівалентний опір щодо затискачів a-b, якщо R1 = R2 = R3 = R4 = R5 = R6 = 10 Ом.
16
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. 2.3. Визначити еквівалентний опір щодо затискачів a-b, якщо R1 = 100 Ом,
R2 = 200 Ом, R3 = 50 Ом, R4 = 20 Ом, R5 = 10 Ом.
Питання для самостійної роботи
1. Як перетворити активну «зірку» (рис 2.6,а) на активний «трикутник»
(рис 2.6,б)?
2. Як перетворити активний «трикутник» (рис 2.6,б) на активну «зірку»
(рис 2.6,а)?
Рис. 2.6. Схема заміщення частини кола: сполучення трьох активних віток «зіркою» (а), сполучення трьох активних віток «трикутником» (б)
17
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 № 3. Дослідження напівпровідникового діода.
Мета: Вивчення принципів дії та основних властивостей напівпровідникових діодів; дослідження їх вольтамперних характеристик, ознайомлення з основними параметрами та використанням.
Програмне забезпечення: програмне забезпечення комп'ютерного моделювання електронних схем (програма Electronic Workbench).
Основні теоретичні відомості
Напівпровідниковий прилад з одним р-n - переходом, що має два омічних виводу, називають напівпровідниковим діодом (мал.1.1). Одна з областей р-n - структури (р +), звана емітером, має велику концентрацію основних носіїв заряду, ніж інша область (n), звана базою.
Мал.1.1. Схематична структура діода.
Вольт-амперна характеристика pn -переходу
Властивості електронно-діркового переходу наочно ілюструються його вольтамперною характеристикою (мал. 1.2, а), що показує залежність струму через р-п перехід від величини і полярності прикладеної напруги.
Мал. 1.2. Характеристики р-п переходу: а - вольтамперна; б - опору
Аналіз вольтамперної характеристики р-п переходу дозволяє розглядати його як нелінійний елемент, опір якого змінюється залежно від величини і полярності прикладеної напруги (мал. 1.2, б). При збільшенні прямої напруги
18
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/
опір р-п переходу зменшується. Із зміною полярності і величини прикладеної напруги опір р-п переходу різко зростає. Отже, пряма (лінійна) залежність між напругою і струмом (закон Ома) для р-п переходів не дотримується. Нелінійні властивості р-п переходів лежать в основі роботи напівпровідникових приладів, що використовуються для випрямляння змінного струму, перетворення частоти, обмеження амплітуд і т.д.
Методичні рекомендації
Використання програмного забезпечення Electronic Workbench у даної лабораторної роботі
Розділ “Diodes” (мал.1.3) містить напівпровідникові діоди, стабілітрони, світлодіоди , тиристори або динистори, , симетричний динистор або діак, симетричний тринистор або тріак , випрямляючий міст.
Мал. 1.3. Розділ “Diodes” програми Electronic Workbench.
•
– напівпровідникові діоди;
•
– стабілітрони;
•
– світлодіоди;
•
– випрямляючий міст;
•
– діод Шоклі;
•
– тиристори або динистори;
•
– симетричний динистор або діак;
•
– симетричний тринистор або тріак.
Розглянемо властивості діода, які задаються користувачем , для цього потрібно натиснути два рази лівою кнопкою мишки на діоді та в діалоговому вікні “Diode Properties” вибрати потрібний діод на закладці “Models”. Якщо потрібно змінити параметри то натисніть кнопку “Edit”. У діалоговому вікні,
19
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/
яке складається із двох однакових на зовнішній вигляд закладок ( перша із них показана на мал. 1.4, друга показана на мал. 1.5), за допомогою яких задати наступні параметри:
•N – коефіцієнт інжекції;
•EG – ширина забороненої зони, еВ;
•FC – коефіцієнт нелінійності бар’єрної ємності прямо зміщеного перехода;
•BV – напруга пробою, В; для стабілітронів замість цього параметра використовується параметр VZT – напруга стабілізації;
•ІBV –початковий струм пробою при напрузі BV, А; для стабілітронів замість цього параметра використовується параметр ІZT – початковий струм стабілізації;
•XTI – температурний коефіцієнт струму насичення;
•KF – коефіцієнт фліккер-шума;
•AF – показник степеня в формулі для фліккер-шума;
•TNOM – температура діода, 0 С.
Мал. 1.4. Зовнішній вигляд меню для встановлення параметрів діода.
Мал. 1.5. Зовнішній вигляд меню для встановлення додаткових параметрів діода.
20