Параметры и характеристики элементов линейной цепи постоянного тока Описание установки

Лабораторная работа выполняется на стенде, содержащем модуль питания с источниками постоянного напряжения, обозначенными как UZ1, UZ4, и источником постоянного тока UZ2. Общий блок питания стенда включается автоматом «220В», источники UZ1, UZ2 включаются автоматом SA1, а источник UZ4 включается индивидуальным автоматом SA3.

Источник напряжения UZ1 и источник тока UZ2 являются реальными источниками, как физические модели реальных генераторов. Регулирование на выходе соответственно напряжения или тока в них не предусмотрено. Источник напряжения UZ4 является идеальным источником ЭДС с регулируемым постоянным напряжением на выходе « = 0…12В/0,5А»

В модуле резисторов значения сопротивлений резисторов R1, R2, R3 устанавливаются ступенчато переключателем. Значения сопротивлений на магазине сопротивлений устанавливаются по отдельным декадам. Для измерения постоянного тока и напряжения используются стрелочные миллиамперметры и вольтметр, приборы магнитоэлектрической системы с равномерным распределением делений по шкале. Показание этих приборов положительно, если при подключении их в цепь, выполняется соединение «плюса» к гнезду расположенному справа относительно прибора. На стенде имеется цифровой вольтметр В7-38, который используется как мультиметр для измерения сопротивлений резисторов в положении переключателя «КΩ», и, для измерения постоянного напряжения, в положении «V=». Вольтметр В7-38 является идеальным прецизионным вольтметром с автоматическим выбором пределов измерений, внутреннее сопротивлением которого можно считать бесконечно большим.

Краткое содержание работы

Сопротивление одного из резисторов определяется методом амперметра и вольтметра по двум схемам измерения. Экспериментально снимаются вольтамперная характеристика линейного резистора и внешние характеристики источника постоянного напряжения и источника постоянного тока. На основании полученных характеристик составляются схемы замещения источников и определяются параметры элементов этих схем. Рассматривается реализация идеального источника регулированием.

Теоретическая справка

Основными элементами электрической цепи являются источники и приемники. Для их описания в цепях постоянного тока используют зависимость напряжения U на зажимах элемента от тока I в нём. Эта зависимость U(I) называется вольт-амперной характеристикой (ВАХ) элемента. Применительно к источникам электрической энергии эта зависимость называется внешней характеристикой источника.

Пр иемники энергии. Приемники представляются резисторами, учитывающими преобразование электрической энергии в тепловую. Изображение резистора на схемах и ВАХ приведены на рис.1.

Положительное направление тока I в ветви с резистором R рис.1 принимается от большего потенциала к меньшему. Направление напряжения U на резисторах обычно не указывается, так как оно определяется выбранным направлением тока I. Аналитическое выражение ВАХ определяется законом Ома U=RI. Значение сопротивления резистора R₁ из графика ВАХ рис.1 может быть определено из отношения напряжения U₀ к току I₀ для одного из режимов, т.е. R₁= U₀ / I₀. ВАХ, показанная на рис.1 пунктиром, соответствует уменьшению сопротивлению R₁ в два раза. Очевидно, что изменение положения исходного графика при этом, определяется смещением одной из точек, обусловленным увеличением тока в два раза при неизменном напряжении.

Идеальные источники. Введение понятий идеального источника ЭДС Е и идеального источника тока J упрощает анализ электрических цепей.

Обозначение источника ЭДС E на схеме и его внешняя характеристика U(I) при изменении сопротивления нагрузки приведены на рис. 2. Стрелка в обозначении ЭДС Е характеризует увеличение потенциала внутри источника, а положительное направление напряжения U на выходе его (см. рис.2), противоположное направлению стрелки ЭДС, определяет направление уменьшения потенциала во внешней цепи. Напряжение на выходе U_х при , I=0, т.е. в режиме холостого хода, остается постоянным и равным ЭДС Е при любом значения тока, Е=U=const.

В нутреннее сопротивление идеального источника ЭДС равно нулю, R_Е = 0.

Рис. 2 Рис. 3

Источник тока – идеальный источник энергии, ток которого равный остается неизменным при любом напряжении U на его зажимах, . Обозначение источника тока на схемах и внешняя характеристика его приведены на рис.3. В режиме короткого замыкания при , ток , напряжение на выводах источника равно нулю, U = 0.

Внутреннее сопротивление идеального источника тока равно бесконечности, .

Реальные источники. В реальных источниках энергии значение внутреннего сопротивления конечно. Ток источника . Практически, если в цепи , то источник считается источником напряжения с ЭДС . Если , то при изменении сопротивления нагрузки , ток меняется незначительно и источник считается источником тока с током .

Характеристики и параметры реальных источников питания определяются схемами замещения их. Основой получения схем замещения и нахождения параметров их элементов служат внешние характеристики реальных источников. Для источника напряжения недопустимо большим становится ток короткого замыкания . Для источника тока в режиме холостого хода резко увеличивается напряжение .

В некотором режиме напряжение на выводах реального источника при токе , как видно из рис.4, уменьшается по сравнению с на величину ΔU0 = , равную падению напряжения внутри источника.

Аналитическое выражение внешней характеристики, как зависимости , представляется уравнением прямой

(1)

Зависимость тока от напряжения на выходе источникаследует из (1)

, (2)

где соответствует току короткого замыкания , .Две схемы замещения реальных источников. Реальный источник может быть представлен последовательной или параллельной схемой с идеальными источниками. Последовательная схема, следующая из (1), приведена на рис. 6. Постоянному значению в (1), не зависящему от тока, соответствует Э ДС E идеального источника, .

Рис. 6 Рис. 7

Аналитическое выражение (2) определяет параллельную схему замещения, показанную на рис. 7 с идеальным источником тока . Ток на выходе источника согласно (2), уменьшается по сравнению с (см. рис. 5) на величину тока ΔI = , замыкающегося внутри источника. Таким образом, из (1) при в режиме короткого замыкания следует равенство , т.е. . Последние позволяет переходить от параллельной схемы замещения источника (см. рис. 7) к последовательной (см. рис. 6) и обратно. Направление получаемого источника, в результате преобразования, определяется из условия неизменности направления тока во внешней цепи, резисторе .

Схема рис. 6 и 7 эквивалентны между собой только по отношению к внешней цепи. Относительно самого источника они не эквивалентны. Так, в режиме холостого хода при , ток в источнике по схеме рис. 5 равен нулю, а в схеме рис. 6 протекает ток .

Измерение сопротивления резистора реальными приборами.

К вспомогательным элементам электрических цепей относятся соединительные провода и измерительные приборы. Сопротивления проводов в виду их малости, часто принимаются равными нулю. Идеальный амперметр имеет внутреннее сопротивление , а идеальный вольтметр – . Для реальных измерительных приборов указываются их внутренние сопротивления. Схемы замещения реальных амперметра и вольтметра приведены на рис.8 Резисторы учитывают их внутренние сопротивления, а приборы считаются идеальными.

Рис. 8

Для определения сопротивления резистора R необходимо в результате измерений знать значения тока I в резисторе и напряжения U на его зажимах. В соответствии с законом Ома . В случае неидеальных приборов следует учитывать падение напряжения на амперметре и ток через вольтметр.

Р а б о ч е е з а д а н и е