Лабораторная работа №1

Исследование электрических характеристик линейной цепи

постоянного тока при изменении сопротивления

1. Задание на работу

1.1. При подготовке к работе изучить: [2, с. 5-14].

1.2. Ознакомиться с основными соотношениями электрических величин в линейной цепи постоянного тока при изменении сопротивления R_нв цепи нагрузки.

1.3. Рассчитать и построить зависимости:

I_н = f(R_н), U_н = f(R_н), P_н = f(R_н), U_н=f(I_н), P_н=f(I_н),  = f(R_н).

1.4. По полученным расчетным данным для одного из режимов проверить выполнение закона Ома, баланс мощностей в схеме и справедливость формул расчета токов в параллельных ветвях схемы.

2. Методические указания

2.1. На рис. 1 представлена линейная электрическая цепь постоянного тока, содержащая источник ЭДС с параметрами ЕиR₀,резисторыR₁, R₂,и резистор нагрузки R_н,вольтамперные характеристики которых есть зависимостиU = R * I.

2.2. ЭДС подключена к точкам 1-0схемы, поэтому определим эквивалентное сопротивление цепи относительно этих точек:

. (1)

2.3. Закон Ома для замкнутой цепи:

. (2)

2.4. Токи в параллельных ветвях можно рассчитать по закону Ома для пассивной ветви:

,

или по формулам распределения токов в параллельных ветвях схемы:

, . (3)

2.5. Зависимость U_н(I_н) называется внешней характеристикой.

Для цепи (рис. 1) по второму закону Кирхгофа уравнение внешней характеристики: U_н(I_н)=E - I_н·(R₀ + R₁₂)(4)

При построении графика U_н(I_н)используем режимы:

• холостого хода (ХХ) R_н = , I_н = 0, U_н = E;

• короткого замыкания (КЗ) R_н=0, I_н=I_КЗ=E/ (R₀+R₁₂), U_н=0.

2.6. Идеальный источник ЭДС Еразвивает в цепи мощность

Р_и = P_E = I_н·Е, а пассивные элементы потребляют мощность

P_потр = P₀ + P₁ + P₂ + P_н, (5)

где P₀ = I_н²R₀ , P₁ = I₁²R₁ , P₂ = I₂²R₂ , P_н = I_н²R_н. .

2.7. Уравнение баланса мощностей для данной схемы:

Р_и = Р_потр.(6)

2.8. Для исследования зависимости мощности нагрузки от сопротивления нагрузки вычислим производную Р_нотR_ни приравняем ее к нулю, при этом получим.(7)

2.9. Коэффициент полезного действия:

. (8)

При R_н=R_эКПД равен 0.5.

3. Контрольные вопросы

3.1. Какой вид имеет внешняя характеристика для данной цепи I_н=f(U_н)и как ее построить по данным двух режимов: короткое замыкание(R_н=0)и холостой ход(R_н=)?

3.2. Чему пропорционален тангенс угла наклона вольтамперной характеристики?

3.3. Сформулировать правило расчета тока в параллельной ветви, если найден ток в неразветвленной части цепи.

3.4. При каких значениях сопротивления нагрузки на выход цепи передается максимальная мощность и чему при этом равен ток?

4. Схема компонентной цепи

Схема компонентной цепи для проведения эксперимента (рис. 2) собрана на макетной плате (рис. 3). Измерительная панель приборов со схемой представлена на рис 4.

5.Порядок проведения работы

5.1. Подготовить NI Elvis II к проведению лабораторной работы и подключить измерительную панель (рис. 4), ознакомиться с работой универсального прибора (п.3.2 «РП NI ELVIS II»).

Рис. 2

Рис. 3

Рис. 4

5.2. Установить величину Е ручкой панели управления, согласно «Руководства пользователя NI Elvis II». Величину параметра Е взять из табл. 2 (вариант указывает преподаватель).

5.3. Убедиться в нормальном функционировании измерительных приборов. Провести следующие измерения и вычисления:

а) Для измерения значения тока в цепи использовать резистор R1 и показания вольтметраV2. Величину тока вычислить по закону Ома.

б) Для измерения мощности на выходе цепи (нагрузке) использовать резистор R4 и показания приборовV4,V5.

в) Для измерения значения напряжения U_R2(на резисторахR2,R3) использовать вольтметрV3.

5.4. Параметр R_низменять соединением ключей (К1-К5).

5.5. Замерить с помощью соответствующих приборов переменные из табл. 1 при различных значениях R_н, замыкая ключи К1, К2, …, К5. Результаты измерений занести в табл. 1. Оставшиеся переменные из табл. 1 получить расчетным путем.

Таблица 1

№ п/п	Rн	E	UR1	UR2	UR4	URн	IRн	PRн	Rэ	PE	
	кОм	В	В	В	В	В	мА	Вт	кОм	Вт	%
1. … 5.

5.6. Составить баланс мощностей для исследуемой схемы.

5.7. По данным табл. 1 построить графики зависимостей величин I_н=f(R_н), U_н=f(R_н), P_н=f(R_н), U_н=f(I_н), P_н=f(I_н), =f(I_н).