ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО РФ ПО ОБРАЗОВАНИЮ ВОЛГОГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
КАФЕДРА “ЭЛЕКТРОТЕХНИКА”
...
49 downloads
158 Views
2MB Size
Report
This content was uploaded by our users and we assume good faith they have the permission to share this book. If you own the copyright to this book and it is wrongfully on our website, we offer a simple DMCA procedure to remove your content from our site. Start by pressing the button below!
Report copyright / DMCA form
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО РФ ПО ОБРАЗОВАНИЮ ВОЛГОГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
КАФЕДРА “ЭЛЕКТРОТЕХНИКА”
«ТЕОРИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ И ЭЛЕКТРОНИКА» Практическая часть Методические указания и задания к выполнению лабораторных работ с
помощью
программно-методического
комплекса
«Интернет-
лаборатория» по дисциплинам “Электротехника и электроника”, “Общая электротехника” для всех специальностей и форм обучения.
РПК “Политехник” Волгоград 2008
УДК 621.3.011.7(075)
Рецензент: Профессор кафедры ТФ и ВП ВолГУ д. физ-мат. наук
Лебедев Н. Г.
Печатается по решению редакционно-издательского отдела Волгоградского государственного технического университета
Теория электрических цепей и электроника. Практическая часть: Методические указания и задания к выполнению лабораторных работ с помощью программно-методического комплекса «Интернет-лаборатория» по дисциплинам “Электротехника и электроника”, “Общая электротехника” для всех специальностей и форм обучения/Сост. Л. В. Богданова, А. В. Емельянов, Л. В. Хоперскова/ ВолгГТУ. – Волгоград, 2008. – 62 с. В работе приведены инструкции и задания к выполнению лабораторного практикума по дисциплинам кафедры (разделы “Теория электрических цепей” и “Электроника”) с помощью программного модуля «Интернет-лаборатория». Каждая лабораторная работа рассчитана на 2 часа аудиторных и 2 часа домашних занятий и может выполняться студентом самостоятельно в режиме моделирования и эксперимента с помощью сети Интернет (или локальной сети Ethernet). Работа предназначена для студентов всех форм обучения и может быть использована при изучении курсов ”Теоретические основы электротехники”, “Общая электротехника”, “Электротехника и электроника”. @ Волгоградский государственный технический университет, 2008
Богданова Л.В., Емельянов А.В., Хоперскова Л.В.
Теория электрических цепей и электроника
Введение
КО
ПИ
Я
Использование современных средств вычислительной техники и сетей общего доступа позволяет применять учебно-методический комплекс «Интернет-Лаборатория» при изучении основных дисциплин по кафедре «Электротехника». При этом разработанный план проведения лабораторных работ несколько отличается от плана, предлагаемого авторами, соответствует содержанию рабочих программ и образовательному стандарту специальностей. Разделы “Исследование электрических цепей” и “Электроника” содержат по пять лабораторных работ. В первой части основной целью является формирование навыков проведения измерений, расчетов и анализа процессов для линейных электрических цепей постоянного тока и переменного синусоидального тока. Эти работы проводятся с помощью модуля «Электрические цепи». Вторая часть посвящена изучению основных полупроводниковых приборов: диодов и транзисторов, а также их использованию в схемах выпрямления, стабилизации, усиления (модули «Диоды и транзисторы», «Стабилизаторы»). В этой части целью является исследование принципов работы устройств и получение их основных характеристик. Принципиальные и функциональные схемы модулей описаны авторами комплекса и содержатся в Приложении данных методических указаний. В командной строке программы имеются возможности использования справочного теоретического материала («Помощь»). Перед выполнением лабораторной работы студент обязан ввести для регистрации в командную строку фамилию и номер группы, сохранять промежуточные и окончательные результаты в файлах для последующей обработки результатов измерений и сравнения с теоретическими расчетами. Режим «Моделирование» может быть реализован пользователями в отсутствии удаленного доступа, а режим «Эксперимент» – только при работе в сети. В последнем случае результаты выполнения лабораторных работ могут быть оценены преподавателем в режиме online. Порядок выполнения лабораторных работ, способ представления результатов и режим выполнения определяются ведущим преподавателем. По его указанию может быть ограничено или расширено количество выполняемых заданий в рамках одной лабораторной работы, а также установлен график использования режима «Эксперимент».
Порядок регистрации и общие указания
1.Вход в программу Для начала работы с Интернет - лабораторией пользователь должен пройти процедуру аутентификации. Для этого после запуска клиентского программного обеспечения пользователю будет предложено ввести свое имя и пароль с помощью диалогового окна (рис.1). 3
Богданова Л.В., Емельянов А.В., Хоперскова Л.В.
Теория электрических цепей и электроника
Я
Рисунок 1
ПИ
Если пользователь впервые входит в Интернет - лабораторию на своем компьютере, он должен ввести свое уникальное имя (логин), под которым он будет фигурировать на всех этапах проведения работ, в поле ввода "Пользователь". Если пользователь уже входил в программу, он может выбрать свой логин в раскрывающемся списке поля ввода "Пользователь" (рис.2).
Рисунок 2
КО
Свой пароль пользователь вводит в поле ввода "Пароль". При этом сам текст пароля заменяется на символы "*" (рис.3).
Рисунок 3
При ошибочном вводе имени или пароля пользователь может нажать кнопку "Очистить" диалогового окна, что приведет к очистке полей ввода "Пользователь" и "Пароль" и можно будет ввести свои данные еще раз. После ввода имени и пароля в соответствующие поля диалогового окна пользователь должен нажать кнопку "Принять" для подтверждения введенных данных и входа в программу Интернет-лаборатории. 2. Работа с файлами
4
Богданова Л.В., Емельянов А.В., Хоперскова Л.В.
Теория электрических цепей и электроника
ПИ
Я
После прохождения аутентификации пользователь начинает работу с диалоговым окном, показанным на рис.4.
Рисунок 4
КО
В верхней части окна выводится имя пользователя и находится кнопка "Выйти". При нажатии на эту кнопку закроются все окна Интернетлаборатории, работа пользователя завершится и на экране появится окно ввода имени и пароля пользователя (рис.1) для входа в программу нового пользователя. Ниже имени пользователя и кнопки выхода находится список файлов, расположенных в папке пользователя. Список файлов состоит из двух колонок - в первой представлено имя файла, во второй - описание файла в зависимости от его расширения. Справа от списка файлов расположены служебные кнопки, при нажатии на которые можно произвести следующие действия: "Новая работа" - начать новую работу. при этом пользователю будет предложен список возможных объектов для дальнейшего изучения и проведения моделирования и экспериментальных исследований (подробнее в разделе "Выбор объекта изучения"). Кроме того, начать новую работу можно, выбрав пункт "Начать работу" в главном меню программы или,нажав на кнопку "Начать работу" панели инструментов в верхней части главного окна Интернет - лаборатории. "Открыть" - открыть файл, выделенный в списке рабочих файлов. В зависимости от типа (расширения) файла с ним будут произведены различные операции: • файлы с расширением "ls" - сохраненные результаты ранее выполненной работы работы с каким-то объектом. При открытии таких файлов будут загружены сохраненные ранее результаты работы с 5
Богданова Л.В., Емельянов А.В., Хоперскова Л.В.
Теория электрических цепей и электроника
ПИ
Я
восстановлением всех окон и данных, которые были на момент сохранения работы; • файлы с расширением "dat" и "grf" - сохраненые данные моделирования или экспериментов. Файлы будут открыты с помощью программы обработки результатов, входящей в состав Интернет лаборатории; • файлы с расширениями "cir" - файлы моделей на языке PSpice. Файлы будут открыты с помощью стандартного текстового редактора "notepad"; • остальные файлы будут открыты с помощью программы, зарегистрированной в операционной системе для файлов данного типа. Открыть файл помимо использования кнопки "Открыть" можно также, дважды щелкнув мышкой по его имени в списке файлов, выбрав пункт "Открыть" в главном меню программы или нажав на кнопку "Открыть" панели инструментов в верхней части главного окна Интернетлаборатории.
КО
"Открыть папку в проводнике" - папка с файлами пользователя будет открыта в стандартном проводнике Windows. "Удалить" - выбранный файл будет удален. При этом пользователю будет выведено окно для подтверждения удаления файла. "Обновить" - список файлов будет обновлен. "Настройки пользователя" - пользователю будет выведено окно для изменения его личных настроек. Пользователь сможет изменить свой логин (имя для входа в систему), пароль для доступа к Интернет лаборатории и расположение папки с рабочими файлами. Без особой необходимости расположение папки с файлами пользователя лучше не менять. Сохранить результаты выполнения работы в файл можно, выбрав в главном меню программы пункт "Сохранить" или нажав кнопку "Сохранить" панели инструментов в верхней части главного окна. При этом пользователю будет предложено выбрать имя файла и его размещение для сохранения с помощью стандартного окна. При сохранении результатов выполнения работы в файл необходимо, чтобы было активным одно из окон этой работы.
Закрыть текущую работу можно, выбрав в главном меню программы пункт "Закрыть", нажав кнопку "Закрыть" панели инструментов в верхней части главного окна или закрыв окно выбора объекта изучения. При закрытии работы с помощью меню или с помощью панели инструментов необходимо, чтобы было активным одно из окон этой работы. Для прекращения работы с одним объектом изучения, с целью начала работы с новым объектом, нужно обязательно закрыть окно с 6
Богданова Л.В., Емельянов А.В., Хоперскова Л.В.
Теория электрических цепей и электроника
виртуальной схемой текущего объекта изучения. При этом будут закрыты все вспомогательные окна для работы с данным объектом и останется только окно выбора объекта изучения. При всех операциях закрытия работы пользователю будет предложено подтвердить свое намерение с помощью стандартного диалогового окна.
КО
ПИ
Я
3. Выбор объекта изучения После прохождения аутентификации и начала работы для выбора объекта изучения пользователю будет предложен список доступных объектов (рис.5).
Рисунок 5
7
Богданова Л.В., Емельянов А.В., Хоперскова Л.В.
Теория электрических цепей и электроника
КО
ПИ
Я
На окне в виде дерева представлен список объектов изучения, обозначенных иконкой или и в раскрывающемся списке под ним список работ по данному объекту. Открыть или скрыть список можно, или слева от названия щелкнув мышкой по значку слева от иконки объекта или дважды щелкнув мышкой по названию объекта. В списке работ по каждому объекту иконкой помечены работы, доступные для выполнения. Если работа помечена иконкой бледно серого цвета , значит в данный момент времени она недоступна для выполнения. Для начала работы необходимо дважды щелкнуть мышью по названию работы в списке работ. После этого будут открыты окна для проведения изучения и исследования выбранного объекта.
8
Теория электрических цепей и электроника
Я
Богданова Л.В., Емельянов А.В., Хоперскова Л.В.
ПИ
Часть 1
КО
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ
9
Богданова Л.В., Емельянов А.В., Хоперскова Л.В.
Теория электрических цепей и электроника
Лабораторная работа №1 Тема: “Резистивные элементы”
Я
Цель работы: Исследование свойств резистивных элементов в цепях постоянного и переменного тока. Задание 1. Закон Ома для цепи постоянного и переменного тока.
ПИ
Порядок выполнения работы. 1. В окне пользовательского интерфейса модуля «Электрические цепи» соберите цепь по рисунку 1, задав ее параметры: – источник ЭДС –Е1 с постоянным напряжением U=1 B; – резистор R1 сопротивлением, задаваемым таблицей 1; – датчик тока ДТ2; – канал измерения потенциала в контрольной точке 1; – остальные элементы в ветвях 1 и 2 закоротить; – все элементы в ветви 3 оставить в исходном состоянии (разрыв).
R1,Ом
Таблица 1
470
970
1300
R1
ϕ1 , В
I эксп , А
КО
1
E1
I теор, А ДТ2
Рис.1
2. На панели инструментов последовательно выберите режимы «Моделирование» и «Эксперимент» и проделайте следующие действия: – замерьте величину электрического тока в цепи резистора (используя возможности программы обработки результатов); – последовательно измените величину сопротивления R1, используя разрешенный ряд значений в соответствии с таблицей 1. 10
Богданова Л.В., Емельянов А.В., Хоперскова Л.В.
Теория электрических цепей и электроника
Я
– занесите показания измерительных приборов в таблицу 1; – сохраните полученные результаты в файле для последующей обработки и сравнения; – рассчитайте измеряемые параметры теоретически и занесите результаты расчетов в таблицу 1; – сравните теоретические и опытные данные. Сделайте вывод по результатам теоретических расчетов и измерений. Задание 2. Исследование энергетических показателей в цепи с резистивным элементом.
2. 3.
Значение R1 = U m = 5 В; f = 50 Гц Экспер. Теор.
КО
4.
ПИ
1.
Порядок выполнения работы Подайте на вход собранной электрической цепи по рисунку 1 переменное синусоидальное напряжение в соответствии с таблицей 2. Для одного из резисторов (по заданию преподавателя) измерьте амплитудное, действующее, среднее значение тока по показанию датчика ДТ2. Результаты измерений занесите в таблицу 2. Сохраните полученные результаты в файле для последующей обработки и сравнения. Определите по результатам моделирования среднее значение мощности электрических потерь и фазовый угол сдвига между напряжением и током. Проведите теоретические расчеты измеренных параметров и занесите их результаты в таблицу 2.
U m = 1,3 В; f = 50 Гц
Экспер.
Теор.
Таблица 2
U m = 10 В; f = 50 Гц
Экспер.
Теор.
Im
Um I0
U0 I
U
P
Δϕ
Контрольные вопросы и задания. 1. Сравните результаты моделирования и эксперимента в одном графическом окне для каждого исследованного режима отдельно, взяв 11
Богданова Л.В., Емельянов А.В., Хоперскова Л.В.
Теория электрических цепей и электроника
КО
ПИ
Я
результаты из соответствующих файлов сохранения, и объясните их отличия. 2. Сравните теоретические расчеты и результаты экспериментов. Объясните отличия. 3. Справедлив ли закон Ома для переменного синусоидального напряжения? 4. Как изменятся средние и действующие значения тока и напряжения, если частота источника питания увеличится в два раза при неизменной амплитуде? 5. Будут ли потери на нагрев в резисторе при среднем значении тока I0 = 0 ? 6. Будут ли потери на нагрев при действующем значении протекающего тока I = 0 ?
12
Богданова Л.В., Емельянов А.В., Хоперскова Л.В.
Теория электрических цепей и электроника
Лабораторная работа №2 Тема: “Исследование сложной цепи постоянного тока”
Я
Цель работы: Определение параметров и энергетических показателей сложной цепи постоянного тока экспериментально и теоретически. Задание 1. Проведение эксперимента.
ПИ
Порядок выполнения работы 1. Соберите в основном окне пользовательского интерфейса модуля «Электрические цепи» (Параллельное соединение) электрическую цепь, содержащую соединение следующих элементов (Рис. 1): – источника ЭДС – Е1 , задав напряжение источника E1 =15 В; – параметры резисторов: резистор R1=0,47 кОм ; резистор R2 =0,91 кОм; резистор R3 =0,47 кОм; – каналы измерений потенциалов в контрольных точках 1, 4, 7 включить; – датчики тока ДТ2 и ДТ3 в ветвях включить; – остальные элементы в ветвях 1, 2, 3 закоротить;
4
КО
2
R1
1
R2
R3
7
Е1
Рис. 1.
2. Проведите измерения токов и напряжений. Результаты измерений занесите в таблицу 1(строка 1). 3. Рассчитайте значения токов в ветвях, напряжения на элементе R1 и потенциала точки 4, используя: а) метод непосредственного применения 13
Богданова Л.В., Емельянов А.В., Хоперскова Л.В.
Теория электрических цепей и электроника
законов Кирхгофа; б) метод эквивалентных преобразований; в) метод узловых потенциалов. Результаты расчетов занесите в таблицу 1. 4. Составьте и решите уравнение баланса мощностей. Таблица 1
А
Результаты расчетов I1 , I2, I3, U R1 , А А А В
ϕ7 ,
Я
I2,
Измеренные значения I3, ϕ1 , ϕ2 , ϕ4 , А В В В
1
В
ϕ4
В
а б в а б в
ПИ
2
5. Сохраните полученные результаты в файле для последующей обработки и сравнения. 6. Измените параметры цепи в соответствии указанными значениями: – источника ЭДС – Е1 , задав напряжение источника E1 =15 В; – параметры резисторов: резистор R1=0,91 кОм ; резистор R2 =0,47 кОм; резистор R3 =0,47 кОм;
КО
7. Повторите измерения и расчеты в соответствии с п.п.2-5. Результаты измерений и расчетов занесите в строку 2 таблицы 1. Контрольные вопросы
1. Сравните значения потенциалов точек 2 и 4, полученные из эксперимента и расчетов. Имеют ли они различия? Почему? 2. Укажите наиболее оптимальный способ теоретического расчета цепи. 3. В чем сущность метода расчета цепи методом эквивалентных преобразований? 4. В чем сущность метода расчета цепи методом непосредственного применения законов Кирхгофа? 5. В чем сущность метода расчета цепи методом узловых потенциалов? 6. В чем заключается физический смысл уравнения баланса мощностей? 7. Проведите теоретические расчеты цепи, включив в ветвь №3 источник ЭДС значением 10В методом, указанным преподавателем, при значении остальных параметров цепи, указанных в п. 1. 14
Богданова Л.В., Емельянов А.В., Хоперскова Л.В.
Теория электрических цепей и электроника
Лабораторная работа №3 Тема: “Исследование неразветвленной цепи переменного синусоидального тока”
Я
Цель работы: Определение параметров и энергетических показателей цепи переменного синусоидального тока с последовательным соединением элементов. Задание 1. Исследование характеристик цепи переменного тока.
ПИ
Порядок выполнения работы 1. Соберите в основном окне пользовательского интерфейса модуля «Электрические цепи» электрическую цепь, содержащую последовательное соединение следующих элементов (Рис. 1): – источника ЭДС – Е1, задав переменное синусоидальное напряжение амплитудой Em =1 В и частой f = 500 Гц; – резистор R1=0,2 кОм (параллельное соединение всех базовых резисторов); – катушку индуктивности L1= 15 мГн; – конденсатор С1=2,2 мкФ; – каналы измерений потенциалов в контрольных точках 1, 2, 3 включить; – датчик тока ДТ2 в ветви 2 включить; – остальные элементы в ветви 2 закоротить; – элементы в ветви 3 в исходном состоянии (разрыв).
КО
3
L1
2
C1
1
E1
ДТ2
Рис. 1
15
Богданова Л.В., Емельянов А.В., Хоперскова Л.В.
Теория электрических цепей и электроника
Таблица 1 1
Амплитуды
2 L1 = 15 мГн, C1 = 2,2 мкФ L1 = 15 мГн, C1 = 22 мкФ Эксперим. Вычислен.знач. Эксперим.знач. Вычислен. знач. знач.
U R1m ,В
Я
U L1m ,В U C1m ,В Im , А
Z
XC
XL
S
КО
ПИ
2. Замерьте значения напряжений на каждом элементе цепи и тока (используя возможности программы обработки результатов) для параметров, заданных в таблице 1. Результаты измерений занесите в таблицу. 3. Сохраните полученные результаты в файле для последующей обработки и сравнения. 4. Проведите теоретические расчеты и заполните таблицу 2, куда занесите следующие данные: действующего значения тока и действующих значений напряжений на элементах, полного, емкостного и индуктивного сопротивлений, активной, реактивной и полной мощности цепи, угла сдвига фаз между напряжением и током, коэффициента мощности цепи.
Ом
Ом
ВА
U R1
В
U C1
В
U L1
I
В
Ом
Таблица 2 P
Q
Вт ВАр
cos ϕ
ϕ
град
А
1 2
5. Сравните полученные экспериментальные и расчетные действующих значений тока в цепи и напряжений на элементах.
значения
Задание 2. Исследование резонанса напряжений. 1. Соберите цепь по Рис. 1. 2. Установите параметры элементов цепи: L1=15 мГн, С1=2,2 мкФ, R1=0,2 кОм. 3. Подайте на вход цепи переменное синусоидальное напряжение U m =13В и резонансной частотой f рез = 877 Гц (проверьте правильность расчета). 16
Богданова Л.В., Емельянов А.В., Хоперскова Л.В.
Теория электрических цепей и электроника
350 700 877 1000 1400
Вычисленные значения X P Q S Ом Ом Вт ВАр ВА X L1
cos ϕ
ϕ
град
Контрольные вопросы От чего зависит максимальное значение тока в цепи при резонансе? Что произойдет в резонансном контуре, если сопротивление R1 уменьшить до нуля? Как изменится резонансная частота, если С1 уменьшить в два раза? Как изменится полное сопротивление цепи при уменьшении емкости конденсатора С1 в два раза? Как изменится угол сдвига фаз между напряжением и током, если емкость С1 уменьшить в два раза по сравнению с первоначальным значением? Как изменится действующее значение тока в цепи при увеличении емкости С1 в два раза? Каким образом можно увеличить коэффициент мощности цепи?
КО
1. 2.
Z Ом Ом
X C1
Таблица 3
ПИ
Измеренные значения U R1 U C1 U L1 f I Гц А В В В
Я
4. Замерьте базовые значения общего тока и напряжения на каждом элементе, используя средства графической панели монитора. Результаты измерений занесите в таблицу 3. 5. Изменяя частоту источника f, проведите измерения для указанных в таблице 3 частот и заполните соответствующие ячейки. 6. Проведите теоретические расчеты и определите необходимые параметры цепи. 7. По данным расчетов и эксперимента постройте теоретические и экспериментальные кривые I ( f ) , U C1 , U L1 ( f ) , Z ( f ) , X C1 ( f ) , X L1 ( f ) , угла сдвига фаз между напряжением и током ϕ ( f ) .
3. 4.
5.
6.
7.
17
Богданова Л.В., Емельянов А.В., Хоперскова Л.В.
Теория электрических цепей и электроника
Лабораторная работа № 4 Тема: “Исследование переходных процессов в электрических цепях”
КО
ПИ
Я
Цель работы: Изучение законов изменения тока и напряжения в электрических цепях первого порядка при подключении к источнику постоянного напряжения. Задание 1. Исследование заряда и разряда конденсатора. Порядок выполнения работы 1. Соберите в основном окне пользовательского интерфейса модуля «Электрические цепи» (Конденсатор) электрическую цепь, содержащую соединение следующих элементов (Рис. 1): источника ЭДС – Е1 , задав следующую форму изменения напряжения источника в режиме «Табличное задание»: – U 1 =0.0 В при t1 =0.0 с, – U 2 =1.0 В при t 2 = 0.05 с, – U 3 = 0,0 В при t 3 =0,1 с; параметры резистора R1 и конденсатора C1 задать в соответствии с первой строкой таблицы 1; датчик тока ДТ2 включить; канал измерения потенциала в контрольной точке 2 включить; остальные элементы в ветвях 1 и 2 закоротить; все элементы в ветви 3 – в исходном состоянии (разрыв). 2. Проведите измерения тока и напряжения. Зависимости u R (t ) и i (t ) перенесите в протокол. Рис.2 и Рис.3. 3. Определите постоянные времени переходных процессов теоретически и экспериментально и занесите их в таблицу 1 4. Повторите измерения для всех указанных в таблице 1 параметров элементов. 5. Сохраните полученные результаты в файле для последующей обработки и сравнения. Задание 2. Исследование переходных процессов в цепи с резистором и катушкой индуктивности.
Порядок выполнения работы. 1. Соберите в основном окне пользовательского интерфейса модуля «Электрические цепи» (Катушка индуктивности) электрическую цепь, содержащую соединение следующих элементов (Рис. 4): источника ЭДС – Е1, задав следующую форму изменения напряжения источника в режиме «Табличное задание»: – U 1 =0,0 В при t1 =0,0 с, – U 2 =1,0 В при t2 = 0,05 с, 18
Богданова Л.В., Емельянов А.В., Хоперскова Л.В.
Теория электрических цепей и электроника
– U 3 = 0,0 В при t 3 =0,1 с;
Я
параметры резистора R1 и катушки индуктивности задать соответствии с первой строкой таблицы 1; датчик тока ДТ2 включить; канал измерения потенциала в контрольной точке 2 включить; остальные элементы в ветвях 1 и 2 закоротить; все элементы в ветви 3 – в исходном состоянии (разрыв).
ПИ
C1
2
R1
ДТ2
Е1
КО
Рис. 1.
t
t
Рис. 2
Рис. 3
19
в
Богданова Л.В., Емельянов А.В., Хоперскова Л.В.
Теория электрических цепей и электроника
Таблица 1 R1, Ом
C1=22 мкФ
С1=2,2 мкФ
τ ТЕОР ,
τ ЭКСП ,
τ ТЕОР ,
τ ЭКСП ,
мс
мс
мс
мс
ПИ
Я
470 970 1300 1800 2400
2. Проведите измерения тока и напряжения. Зависимости u R (t ) и i (t ) перенесите в протокол. Рис.5 и Рис.6. 3. Определите постоянные времени переходных процессов теоретически и экспериментально и занесите их в таблицу 2. 4. Повторите измерения для всех указанных в таблице 2 параметров элементов. 5. Сохраните полученные результаты в файле для последующей обработки и сравнения.
КО
3
L1
ДТ2
R1
Е1
Рис. 4. Таблица 2 20
Богданова Л.В., Емельянов А.В., Хоперскова Л.В.
R1, Ом
Теория электрических цепей и электроника
L1=15 мГн
L1=1.5 мГн
τ ТЕОР ,
τ ЭКСП ,
τ ТЕОР ,
τ ЭКСП ,
мс
мс
мс
мс
ПИ
Я
470 970 1300 1800 2400
t
Рис. 5
t
Рис. 6
КО
Контрольные вопросы
1. Чем определяется время переходного процесса в цепи с индуктивным элементом? 2. Как изменится постоянная времени переходного процесса, если последовательно с конденсатором включить еще один конденсатор той же емкости? 3. Как изменится постоянная времени переходного процесса, если в цепь с катушкой индуктивности включить еще одну катушку той же индуктивности? 4. Как изменится постоянная времени переходного процесса, если напряжение источника питания увеличить в два раза? 5. Как изменится характер процесса, если в цепь с резистором и катушкой индуктивности включить конденсатор? От чего он зависит?
21
Богданова Л.В., Емельянов А.В., Хоперскова Л.В.
Теория электрических цепей и электроника
Лабораторная работа № 5 Тема: ”Исследование трехфазной цепи переменного синусоидального тока”
Я
Цель работы: Определение параметров трехфазной цепи переменного тока при соединении приемников по схеме «звезда» при равномерной и неравномерной нагрузке. Задание 1. Исследование трехфазной цепи при равномерной нагрузке. Порядок выполнения работы
ПИ
1. Соберите в основном окне пользовательского интерфейса модуля «Многофазные цепи» электрическую цепь по рисунку 1, содержащую – источники ЭДС Е1, Е2, Е3; – резисторы R1, R2, R3, задав значения для каждого по 0,47 кОм; – катушки индуктивности L1, L2, L3, задав для каждой значение 15 мГн; – конденсаторы С1, С2, С3, задав для каждого значение 22 мкФ; – датчики ДТ1, ДТ2, ДТ3 в ветвях 1, 2, 3 – включить.
ДТ1
ДТ2
L2
КО
L1
ДТ3
L3
C1
C2
C3
R1
R2
R3
1
4
7
Е1
Е2
Е3
0
Рис. 1.
22
Богданова Л.В., Емельянов А.В., Хоперскова Л.В.
Теория электрических цепей и электроника
2. Подайте на вход собранной электрической цепи переменное синусоидальное напряжение для каждого источника: – U mA =3,1 В, ψ A =0; – U mB =3,1 В, ψ B = − 120 o ; – U mC = 3,1 В, ψ C = 120 o при общей частоте 500 Гц.
I1
I2
ПИ
Я
3. Замерьте базовые значения тока в каждой ветви и напряжения в контрольных точках 1, 4, 7, используя возможности программы обработки результатов. Значения занесите в таблицу 1. 4. Определите расчетным путем значения тока в нулевом проводе и действующие значения линейных напряжений. Результаты занесите в таблицу (строка 1). 5. Рассчитайте значения активной, реактивной и полной цепи. 6. Сохраните полученные результаты в файле для последующей обработки и сравнения. 7. Повторите измерения и расчеты п.п.3-7 для амплитудных значений напряжений источников 6,5 В и тех же начальных фазах (строка 2).
I3
U1
U2
U3
U AB
U BC
U CA
Таблица 1 P
Q
S
I0
( I A ) ( I B ) ( I C ) (U A ) (U B ) (U C ) 1 2
КО
Задание 2. Исследование трехфазной цепи при неравномерной нагрузке. 1.
2. 3.
4. 5.
Порядок выполнения работы. В собранной схеме по рис.1 измените значение сопротивления резистора R1 =910 Ом , выбрав его значение равным емкости конденсатора С2=10 мкФ, индуктивности L3=4,7 мГн. Произведите измерения и расчеты. Заполнить таблицу 2 (1 строка). В собранной схеме по рис.1 восстановите равномерную нагрузку, после чего закоротите катушку индуктивности L3 Произведите измерения и расчеты. Заполните таблицу 2 (2 строка). Сохраните полученные результаты в файле для последующей обработки и сравнения.
23
Богданова Л.В., Емельянов А.В., Хоперскова Л.В.
Теория электрических цепей и электроника
Таблица 2 I1
I2
I3
U1
U2
U3
U AB
U BC
U CA
P
Q
S
I0
( I A ) ( I B ) ( I C ) (U A ) (U B ) (U C ) 1 2
Я
Контрольные вопросы
КО
ПИ
1. Как соотносятся между собой действующие значения фазных и линейных напряжений источника? 2. Каким образом можно определить действующее значение тока в нулевом проводе аналитически? 3. Каким образом можно определить действующее значение тока в нулевом проводе графо-аналитичеким способом? 4. Как зависит действующее значение тока в нулевом проводе от параметров элементов? 5. Предложите свой способ создания неравномерной нагрузки в исследуемой цепи. 6. Как изменится режим работы цепи при обрыве одной из линий, например линии А? Продемонстрируйте свои предположения с помощью моделирования.
24
Теория электрических цепей и электроника
ПИ
Я
Богданова Л.В., Емельянов А.В., Хоперскова Л.В.
Часть 2
КО
ЭЛЕКТРОНИКА
25
Богданова Л.В., Емельянов А.В., Хоперскова Л.В.
Теория электрических цепей и электроника
Лабораторная работа №1 Тема: “Исследование вольтамперных характеристик диодов”
Я
Цель работы: моделирование вольтамперных характеристик кремниевого, германиевого диодов и диода Шоттки, измерение их экспериментальных характеристик, сравнение математической модели и эксперимента. Порядок выполнения работы
КО
ПИ
1. После запуска программы PILab, выберите пункт “Диоды и транзисторы”, а затем “Кремниевый диод” (рис. 1).
Рис. 1
Во вновь открывшемся окне будут представлены технические характеристиками исследуемого диода и этапы выполнения работы. Ознакомьтесь с выведенной информацией и закройте окно. На экране должны отображаться три окна, в одном из которых нарисована схема для исследования вольтамперной характеристики (ВАХ) диода (рис. 2).
26
Теория электрических цепей и электроника
ПИ
Я
Богданова Л.В., Емельянов А.В., Хоперскова Л.В.
Рис. 2
КО
2. Моделирование прямой и обратной ветвей ВАХ кремниевого диода Установите 1 сопротивление резистора R1 = 100 Ом, а также параметры модели диода D1: IS = 1e-12 А – ток насыщения, RS = 0 Ом – объёмное сопротивление диода, N = 1,71 – коэффициент неидеальности, Uпроб = 100 В – напряжение пробоя, Iпроб = 1e-10 А – начальный ток пробоя, NBV = 1 – коэффициент тока пробоя, IBVL = 0 А – начальный ток пробоя низкого уровня инжекции, NBVL = 0 – коэффициент неидеальности на участке пробоя низкого уровня, ISR = 1e-12 А – рекомбинационный ток, NR = 2 – коэффициент неидеальности для тока ISR, IKF = ∞ А – ток перегиба при высоком уровне инжекции.
на строке инструментов Нажмите кнопу “Моделирование” клиентского интерфейса (рис. 2). В открывшемся окне введите следующие параметры моделирования 2 : начальное значение напряжения 0 В, конечное значение напряжения 1 В, шаг моделирования 1е-2. 1
Ввод параметров всех элементов электрической схемы проведения исследования (резисторов, диодов, транзисторов, источников питания) осуществляется через контекстное меню, которое вызывается двойным щелчком левой клавиши мыши при наведении ее указателя на соответствующий элемент схемы. 27
Богданова Л.В., Емельянов А.В., Хоперскова Л.В.
Теория электрических цепей и электроника
Я
Выполните моделирование прямой ветви ВАХ и проконтролируйте визуально результаты моделирования в графическом окне. Сохраните график в файл (для последующего использования полученных точек ВАХ). Выполните моделирование обратной ветви ВАХ при следующих условиях: начальное значение напряжения 0 В, конечное значение напряжения − 10 В , шаг моделирования -1е-2. Проконтролируйте визуально результаты моделирования в графическом окне. Сохраните график в файл. После моделирования прямой и обратной ветвей ВАХ, сделайте соответствующие выводы.
ПИ
Нажмите кнопку (рис. 2) перехода к следующему пункту задания. 3. Экспериментальное исследование ВАХ кремниевого диода Проведение исследования вольтамперных характеристик полупроводникового прибора, установленного в измерительном блоке PILab. Эксперимент проводиться в автоматическом режиме с заданными выше параметрами. Для выполнения эксперимента нажмите кнопку “Эксперимент”
КО
(рис. 2) на строке инструментов клиентского интерфейса. В открывшемся окне (рис. 3) нажмите кнопку “Изменение” для прямой и обратной характеристик. После отображения результатов измерения, наведите курсор мыши на график и щелкните правой кнопкой. Введите имя переменной и нажмите кнопку “Запомнить” для прямой и обратной ВАХ. Закройте окно эксперимента.
Рис. 3 2
Под значением параметров моделирования подразумевается значение источников напряжения, для которых проводится анализ. В данном варианте вам необходимо задать параметры источника напряжения смещения pn-перехода. 28
Богданова Л.В., Емельянов А.В., Хоперскова Л.В.
Нажмите кнопку
Теория электрических цепей и электроника
перехода к следующему пункту задания.
ПИ
Я
4. Уточнение параметров математической модели кремниевого диода по результатам его экспериментального исследования Проконтролируйте визуально наличие расхождения в результатах моделирования и эксперимента. При необходимости скорректируйте исходные SPICE-параметры 3 математической модели диода (рекомендуется сначала провести уточнение для обратной ветви ВАХ). Для этого: • наведите указатель мыши на изображение исследуемого диода на схеме испытаний и дважды щелкните левой клавишей; • проведите изменения исходных SPICE-параметров в окне “Значение параметра” путем их последовательного перебора; • проведите повторное моделирование после каждого изменения параметра; • обращайте внимание на степень влияния каждого из варьируемых параметров на приближение результатов моделирования к результатам эксперимента. Скопируйте точки (по 10-15 шт.) экспериментальных графиков и теоретических графиков наилучшего приближения в таблицу приведенную ниже. Используя полученные данные, постройте ВАХ 4 (рис. 3, рис. 4).
Модель Прямая ВАХ Обратная ВАХ Uпр, B Iпр, А Uобр, B Iобр, А
КО
Эксперимент Прямая ВАХ Обратная ВАХ Uпр, B Iпр, А Uобр, B Iобр, А
3
Параметры, которые вводились на 2-м этапе выполнения работы. Они используются программой-симулятором (решателем) P-Spice для моделирования исследуемого объекта. Необходимо учитывать, что в подсистеме моделирования используется программа P-Spice несколько устаревшей версии (но с бесплатной лицензией), для работы которой недопустимы длинные имена файлов и директорий, особенно, если они содержат пробелы. 4 Численные значения по осям координат на рис. 3 и рис. 4, приведены в качестве примера для кремниевого диода. Для германиевого диода и диода Шоттки эти значения будут другими. 29
Рис. 4
Теория электрических цепей и электроника
Я
Богданова Л.В., Емельянов А.В., Хоперскова Л.В.
Рис. 5
КО
ПИ
5. Повторите пункты 1 – 4 выбрав в качестве объекта исследования германиевый диод. Сопротивление резистора R1 = 100 Ом, параметры модели германиевого диода: IS = 2e-7 А – ток насыщения, RS = 7 Ом – объёмное сопротивление диода, N = 1,3 – коэффициент неидеальности, Uпроб = 100 В – напряжение пробоя, Iпроб = 1e-10 А – начальный ток пробоя, NBV = 1 – коэффициент тока пробоя, IBVL = 0 А – начальный ток пробоя низкого уровня инжекции, NBVL = 0 – коэффициент неидеальности на участке пробоя низкого уровня, ISR = 0 А – рекомбинационный ток, NR = 2 – коэффициент неидеальности для тока ISR, IKF = ∞ А – ток перегиба при высоком уровне инжекции. Диапазоны изменения напряжений и шаг моделирования используйте те же, что и для кремниевого диода (см. п. 2). 6. Повторите пункты 1 – 4 выбрав в качестве объекта исследования диод Шоттки. Сопротивление резистора R1 = 100 Ом, параметры модели диода Шоттки: IS = 3,42e-5 А – ток насыщения, RS = 0,05 Ом – объёмное сопротивление диода, N = 1,37 – коэффициент неидеальности, Uпроб = 100 В – напряжение пробоя, Iпроб = 1e-10 А – ток пробоя, NBV = 1 – коэффициент тока пробоя, IBVL = 0 А – начальный ток пробоя низкого уровня инжекции, NBVL = 0 – коэффициент неидеальности на участке пробоя низкого уровня, 30
Богданова Л.В., Емельянов А.В., Хоперскова Л.В.
Теория электрических цепей и электроника
ISR = 0 А – рекомбинационный ток, NR = 2 – коэффициент неидеальности для тока ISR, IKF = ∞ А – ток перегиба при высоком уровне инжекции. Диапазоны изменения напряжений и шаг моделирования используйте те же, что и для кремниевого диода (см. п. 2).
КО
ПИ
Я
7. Отчет о выполнении лабораторной работы, для каждого из исследуемых диодов, должен содержать: • название и цель работы; • основные технические характеристики диода и схему его включения (рис. 2); • графики прямой и обратной ветвей ВАХ, полученные в результате моделирования (рис. 3, рис. 4); • экспериментальные графики прямой и обратной ветвей ВАХ (рис. 3, рис. 4); • таблицу с численными значениями для этих графиков; • необходимые комментарии и выводы.
31
Богданова Л.В., Емельянов А.В., Хоперскова Л.В.
Теория электрических цепей и электроника
Лабораторная работа №2 Тема: “Исследование вольтамперных характеристик биполярных транзисторов включенных по схеме с общим эмиттером”
Я
Цель работы: моделирование вольтамперных характеристик транзисторов, измерение их экспериментальных характеристик, сравнение математической модели и эксперимента. Порядок выполнения работы
КО
ПИ
1. После запуска программы PILab, выберите пункт “Диоды и транзисторы”, а затем “NPN-транзистор с ОЭ” (рис. 1).
Рис. 1
Во вновь открывшемся окне будут представлены технические характеристиками исследуемого транзистора и этапы выполнения работы. Запишите выведенную информацию и закройте окно. На экране должны отображаться три окна, в одном из которых нарисована схема для исследования транзистора (рис. 2).
32
Теория электрических цепей и электроника
Я
Богданова Л.В., Емельянов А.В., Хоперскова Л.В.
ПИ
Рис. 2
КО
2. Исследование ВАХ методом моделирования Установите значение элементов схемы: Rb = 100 Ом, Rc = 100 Ом; Установите параметры модели транзистора: IS = 1e-16 А – обратный ток коллекторного перехода, BF = 80 – коэффициент усиления тока в схеме ОЭ, BR = 1 – коэффициент усиления тока в схеме с ОЭ при инверсном включении транзистора (эмиттер и коллектор меняются местами), ISE = 1e-14 А – обратный ток эмиттерного перехода, ISC = 1e-14 А – обратный ток коллекторного перехода, RB = 100 Ом – объёмное сопротивление базы, RE = 0 Ом – объёмное сопротивление эмиттера, RС = 0 Ом – объёмное сопротивление коллектора, VJC = 0,75 В – контактная разность потенциалов перехода базаколлектор, VJE = 0,75 В – контактная разность потенциалов перехода база-эмиттер, VAF = 50 В – напряжение Эрли. Нажмите кнопу “Моделирование” (рис. 2) на строке инструментов клиентского интерфейса. Введите следующие параметры моделирования входных (Iб = f(Uбэ))характеристик (рис. 3): Eb (нач.) = 0 В, Eb (кон) = 1 В, шаг 1е-2 В; Eс (нач.) = 0 В, Eс (кон.) = 10 В, шаг 1 В.
33
Теория электрических цепей и электроника
ПИ
Я
Богданова Л.В., Емельянов А.В., Хоперскова Л.В.
Рис. 3
КО
Выполните моделирование входных характеристик. Проконтролируйте визуально результаты моделирования в графическом окне и скопируйте графики в файл. Выполните моделирование выходных характеристик (Iк = f(Uкэ) при Iб = const) при следующих условиях (первый источник в окне моделирование нужно указать Ec): Eс (нач.) = 0 В, Eс (кон.) = 10 В, шаг 0,1 В; Eb (нач.) = 0,85 В, Eb (кон) = 1 В, шаг 0,05 В (рис. 4). Проконтролируйте визуально результаты графическом окне и скопируйте их в файл. Нажмите кнопку
моделирования
в
(рис. 2) перехода к следующему пункту задания.
34
Теория электрических цепей и электроника
ПИ
Я
Богданова Л.В., Емельянов А.В., Хоперскова Л.В.
Рис. 4
КО
3. Экспериментальное исследование ВАХ (рис. 2) на строке инструментов Нажмите кнопку “Эксперимент” клиентского интерфейса. Проведите измерение входных характеристик транзистора. Для этого во вновь открывшемся окне (рис. 5): • нажмите кнопку “Измерение” под левым графическим окном; • проконтролируйте визуально результаты эксперимента в левом графическом окне; • сохраните результаты эксперимента в переменной. Проведите измерение семейства выходных характеристик для чего: • выберите в левом графическом окне “Входные характеристики” с помощью курсора ток базы, при котором будет измеряться выходная характеристика; • подтвердите свой выбор нажатием кнопки “Фиксация” (Запишете значение базового тока); • нажмите кнопку “Измерение” под правым графическим окном; • повторите измерения при нескольких значениях тока базы до получения семейства выходных характеристик; • сохраните результаты эксперимента под разными именами переменных.
35
Теория электрических цепей и электроника
ПИ
Я
Богданова Л.В., Емельянов А.В., Хоперскова Л.В.
Рис. 5
КО
4. Уточнение параметров математической модели транзистора по результатам его экспериментального исследования Проконтролируйте визуально наличие расхождения в результатах моделирования и эксперимента. При необходимости скорректируйте исходные SPICE-параметры математической модели. Для этого: • наведите указатель мыши на изображение исследуемого транзистора на схеме испытаний и дважды щелкните левой клавишей; • проведите изменения исходных SPICE-параметров в окне “Значение параметра” путем их последовательного перебора; • проведите повторное моделирование после каждого изменения параметра; • обращайте внимание на степень влияния каждого из варьируемых параметров на приближение результатов моделирования к результатам эксперимента. Начальная корректировка параметров проводится с целью максимального совпадения входных характеристик транзистора. После совпадения входных ВАХ, с помощью резистора во входной цепи, а также входного источника, устанавливается рабочая точка транзистора, соответствующая экспериментальной. Затем, проводится корректировка параметров для наилучшего совпадения выходных характеристик транзистора. Если все параметры скорректированы верно, то совпадение модели и эксперимента будет наблюдаться на всём семействе выходных ВАХ. 36
Богданова Л.В., Емельянов А.В., Хоперскова Л.В.
Теория электрических цепей и электроника
5. Повторите пункты 1 – 4 выбрав в качестве объекта исследования “PNP-транзистор с ОЭ” (рис. 1). Сопротивление резисторов Rb, Rc, параметры модели pnp – транзистора, а также диапазоны изменения напряжений источников Eb, Eс и шаг моделирования используйте те же, что и для npn – транзистора (см. п. 2).
КО
ПИ
Я
6. Отчет о выполнении лабораторной работы, для каждого из исследуемых транзисторов, должен содержать: • название и цель работы; • основные технические характеристики транзистора и схему его включения; • графики входных и выходных ВАХ, полученных в результате моделирования (рис. 6 и рис. 7); • экспериментальные графики входных и выходных ВАХ (рис. 6 и рис. 7), построенные отдельно от теоретических; • необходимые комментарии и выводы.
Рис. 6. Входные характеристики
Рис. 7. Выходные характеристики
37
Богданова Л.В., Емельянов А.В., Хоперскова Л.В.
Теория электрических цепей и электроника
Лабораторная работа №3 Тема: “Исследование вольтамперных характеристик биполярных транзисторов включенных по схеме с общей базой”
Я
Цель работы: моделирование вольтамперных характеристик транзисторов, измерение их экспериментальных характеристик, сравнение математической модели и эксперимента. Порядок выполнения работы
ПИ
1. После запуска программы PILab, выберите пункт “Диоды и транзисторы”, а затем “NPN-транзистор с ОБ” (рис. 1).
КО
Рис. 1
Во вновь открывшемся окне будут представлены технические характеристиками исследуемого транзистора и этапы выполнения работы. Запишите выведенную информацию и закройте окно. На экране должны отображаться три окна, в одном из которых нарисована схема (срисуйте ее) для исследования транзистора (рис. 2).
38
Теория электрических цепей и электроника
Я
Богданова Л.В., Емельянов А.В., Хоперскова Л.В.
ПИ
Рис. 2
КО
2. Исследование ВАХ методом моделирования Установите значение элементов схемы: Rb = 100 Ом, Rc = 100 Ом; Установите параметры модели транзистора: IS = 5e-6 А – обратный ток коллекторного перехода, BF = 40 – коэффициент усиления тока в схеме ОЭ, BR = 1 – коэффициент усиления тока в схеме с ОЭ при инверсном включении транзистора (эмиттер и коллектор меняются местами), ISE = 1e-14 А – обратный ток эмиттерного перехода, ISC = 1e-14 А – обратный ток коллекторного перехода, RB = 0,5 Ом – объёмное сопротивление базы, RE = 0,5 Ом – объёмное сопротивление эмиттера, RС = 10 Ом – объёмное сопротивление коллектора, VJC = 0,4 В – контактная разность потенциалов перехода базаколлектор, VJE = 0,4 В – контактная разность потенциалов перехода база-эмиттер, VAF = 30 В – напряжение Эрли. Нажмите кнопу “Моделирование” (рис. 2) на строке инструментов клиентского интерфейса. Введите следующие параметры моделирования входных (IЭ = f(UЭБ), при UКБ = const) характеристик (рис. 3): Eb (нач.) = 0 В, Eb (кон) = 1 В, шаг 1е-2 В; Eс (нач.) = 0 В, Eс (кон.) = 10 В, шаг 5 В.
39
Теория электрических цепей и электроника
Я
Богданова Л.В., Емельянов А.В., Хоперскова Л.В.
ПИ
Рис. 3
КО
Выполните моделирование входных характеристик. Проконтролируйте визуально результаты моделирования в графическом окне и скопируйте графики в файл. Выполните моделирование выходных характеристик (IК = f(UКБ), при IЭ = const) при следующих условиях (первый источник в окне моделирование нужно указать Ec): Eс (нач.) = 0 В, Eс (кон.) = 10 В, шаг 0,1 В; Eb (нач.) = 0,5 В, Eb (кон) = 1 В, шаг 0,1 В (рис. 4).
Рис. 4
Проконтролируйте визуально результаты графическом окне и скопируйте их в файл. Нажмите кнопку
моделирования
(рис. 2) перехода к следующему пункту задания. 40
в
Богданова Л.В., Емельянов А.В., Хоперскова Л.В.
Теория электрических цепей и электроника
КО
ПИ
Я
3. Экспериментальное исследование ВАХ (рис. 2) на строке инструментов Нажмите кнопку “Эксперимент” клиентского интерфейса. Проведите измерение входных характеристик транзистора. Для этого во вновь открывшемся окне (рис. 5): • нажмите кнопку “Измерение” под левым графическим окном; • проконтролируйте визуально результаты эксперимента в левом графическом окне; • сохраните результаты эксперимента в переменной. Проведите измерение семейства выходных характеристик для чего: • выберите в левом графическом окне “Входные характеристики” с помощью курсора ток базы, при котором будет измеряться выходная характеристика; • подтвердите свой выбор нажатием кнопки “Фиксация” (Запишете значение базового тока); • нажмите кнопку “Измерение” под правым графическим окном; • повторите измерения при нескольких значениях тока базы до получения семейства выходных характеристик; • сохраните результаты эксперимента под разными именами переменных.
Рис. 5
41
Богданова Л.В., Емельянов А.В., Хоперскова Л.В.
Теория электрических цепей и электроника
ПИ
Я
4. Уточнение параметров математической модели транзистора по результатам его экспериментального исследования Проконтролируйте визуально наличие расхождения в результатах моделирования и эксперимента. При необходимости скорректируйте исходные SPICE-параметры математической модели. Для этого: • наведите указатель мыши на изображение исследуемого транзистора на схеме испытаний и дважды щелкните левой клавишей; • проведите изменения исходных SPICE-параметров в окне “Значение параметра” путем их последовательного перебора; • проведите повторное моделирование после каждого изменения параметра; • обращайте внимание на степень влияния каждого из варьируемых параметров на приближение результатов моделирования к результатам эксперимента. Начальная корректировка параметров проводится с целью максимального совпадения входных характеристик транзистора. После совпадения входных ВАХ, с помощью резистора во входной цепи, а также входного источника, устанавливается рабочая точка транзистора, соответствующая экспериментальной. Затем, проводится корректировка параметров для наилучшего совпадения выходных характеристик транзистора. Если все параметры скорректированы верно, то совпадение модели и эксперимента будет наблюдаться на всём семействе выходных ВАХ.
КО
5. Повторите пункты 1 – 4 выбрав в качестве объекта исследования “PNP-транзистор с ОБ” (рис. 1). Сопротивление резисторов Rb, Rc, параметры модели pnp – транзистора, а также диапазоны изменения напряжений источников Eb, Eс и шаг моделирования используйте те же, что и для npn – транзистора (см. п. 2).
6. Отчет о выполнении лабораторной работы, для каждого из исследуемых транзисторов, должен содержать: • название и цель работы; • основные технические характеристики транзистора и схему его включения; • графики входных и выходных ВАХ, полученных в результате моделирования (рис. 6 и рис. 7); • экспериментальные графики входных и выходных ВАХ (рис. 6 и рис. 7), построенные отдельно от теоретических; • необходимые комментарии и выводы.
42
Рис. 7. Выходные характеристики
КО
ПИ
Рис. 6. Входные характеристики
Теория электрических цепей и электроника
Я
Богданова Л.В., Емельянов А.В., Хоперскова Л.В.
43
Богданова Л.В., Емельянов А.В., Хоперскова Л.В.
Теория электрических цепей и электроника
Лабораторная работа № 4 Тема: “Однофазный двухполупериодный мостовой выпрямитель” Цель работы: изучение работы однофазного двухполупериодного мостового выпрямителя и определение его основных технических характеристик.
Я
Порядок выполнения работы
ПИ
После запуска программы PILab, выберите пункт “Выпрямительные устройства”, а затем “Однофазный двухполупериодный мостовой выпрямитель” (рис. 1).
Рис. 1
КО
На экране должны отображаться три окна, в одном из которых нарисована схема для исследования выпрямителя (рис. 2).
44
Богданова Л.В., Емельянов А.В., Хоперскова Л.В.
Теория электрических цепей и электроника
Рис. 2
ПИ
Я
1. Исследование выходных показателей выпрямительного устройства методом моделирования Вызов программы моделирования осуществляется нажатием кнопки “Моделирование” (рис. 2) на панели инструментов главного клиентского интерфейса после ввода заданных ниже параметров. Подайте на вход переменное синусоидальное напряжение с амплитудой Um = 5 В и частотой fc = 500 Гц (рис. 3) на холостом ходу (в свойствах резистора Rн установите “Разрыв”).
Рис. 3
КО
Замерьте величину выходного напряжения (используя средства графической панели монитора). Сохраните полученный результат моделирования в файле для последующей обработки и сравнения с результатами эксперимента. Включите нагрузку Rн = 1 кОм или ближайшее значение из числа доступных номиналов. Замерьте величину напряжения и тока нагрузки (используя средства графической панели монитора). Сохраните полученный результат моделирования в файле для последующей обработки и сравнения с результатами эксперимента. Включите емкость фильтра Cф = 1 мкф или ближайшее значение из числа доступных номиналов. Замерьте величину напряжения и тока нагрузки (используя средства графической панели монитора). Сохраните полученный результат моделирования в файле для последующей обработки и сравнения с результатами эксперимента. Включите дополнительно индуктивность фильтра Lф = 15 мГн. Замерьте величину напряжения и тока нагрузки (используя средства графической панели монитора). Сохраните полученный результат моделирования в файле для последующей обработки и сравнения с результатами эксперимента. 45
Богданова Л.В., Емельянов А.В., Хоперскова Л.В.
Теория электрических цепей и электроника
2. Экспериментальное исследование выходных показателей выпрямительного устройства Вызов программы экспериментального исследования осуществляется
КО
ПИ
Я
нажатием кнопки “Эксперимент” (рис. 2) на панели инструментов главного клиентского интерфейса после ввода заданных ниже параметров. Подайте на вход переменное синусоидальное напряжение с амплитудой Um = 5 В и частотой fc = 500 Гц (рис. 3) на холостом ходу (в свойствах резистора Rн установите “Разрыв”). Замерьте величину выходного напряжения (используя средства графической панели монитора). Сохраните полученный результат эксперимента в файле для последующей обработки и сравнения с результатами моделирования. Включите нагрузку Rн = 1 кОм или ближайшее значение из числа доступных номиналов. Замерьте величину напряжения и тока нагрузки (используя средства графической панели монитора). Сохраните полученный результат эксперимента в файле для последующей обработки и сравнения с результатами моделирования. Включите емкость фильтра Cф = 1 мкФ или ближайшее значение из числа доступных номиналов. Замерьте величину напряжения и тока нагрузки (используя средства графической панели монитора). Сохраните полученный результат эксперимента в файле для последующей обработки и сравнения с результатами моделирования. Включите дополнительно индуктивность фильтра Lф = 15 мГн. Замерьте величину напряжения и тока нагрузки (используя средства графической панели монитора). Сохраните полученный результат эксперимента в файле для последующей обработки и сравнения с результатами моделирования.
3. Обработка результатов моделирования и эксперимента Для дополнительной обработки полученных результатов моделирования и эксперимента необходимо полученные результаты перенести в программу обработки результатов. Для этого надо нажать кнопку
панели инструментов полностью открытого “Обработка результатов” графического окна предпросмотра результатов. При этом запустится программа обработки результатов и все графики из графического окна автоматически скопируются в эту программу. Каждому графику будет соответствовать одно графическое окно. Для сравнения результатов моделирования и эксперимента нужно сделать следующее: 46
Богданова Л.В., Емельянов А.В., Хоперскова Л.В.
Теория электрических цепей и электроника
КО
ПИ
Я
• скопировать выбранный график (например, выходное напряжение выпрямителя, полученное моделированием) в память, для чего щелкнуть правой кнопкой “мыши” на графическом окне этого графика и в появившемся меню выбрать пункт “Скопировать”; • вставить скопированный в память график в графическое окно (например, выходного напряжения выпрямителя, полученного из эксперимента), для чего щелкнуть правой кнопкой мыши на графическом окне этого графика и в появившемся меню выбрать пункт “Вставить”. В результате в выбранном графическом окне будут находится два графика - полученные путем моделирования и эксперимента, что удобно для их сравнения. Для математической обработки результатов доступны следующие инструменты, вызываемые с помощью всплывающего меню на выбранном графическом окне: • вывод таблицы значений графика; • расчет действующего значения сигнала; • расчет других статистических данных, таких как среднее значение и т.п. • цифровая обработка сигнала – разложение в спектр, дифференцирование, интегрирование, интерполяция; • вычисление графика, являющегося функциональной комбинацией других графиков и т.п. В запустившейся программе обработки результатов выполните следующие действия. Сравните результаты моделирования всех исследованных режимов в одном графическом окне, взяв результаты из соответствующих файлов сохранения, и проследите изменение формы и величины напряжения и тока нагрузки. Сравните результаты эксперимента всех исследованных режимов в одном графическом окне, взяв результаты из соответствующих файлов сохранения, и проследите изменение формы и величины напряжения и тока нагрузки. Сравните результаты моделирования и эксперимента в одном графическом окне для каждого исследованного режима отдельно, взяв результаты из соответствующих файлов сохранения, и объясните различия. Определите 5 экспериментальные значения параметров выпрямительного устройства (используя соответствующие средства панели 5
Для более детального изучения входного сигнала и выходных результатов можно развернуть (свернуть) любое графическое окно двойным щелчком левой клавиши “мыши”, если ее указатель находится в зоне соответствующего графического окна. При этом возможно количественное исследование результатов моделирования, для чего указателем “мыши” следует захватить перекрестие визирных линий (серый цвет) и при нажатой левой клавише переместить его на интересующий график в заданную точку. Численные координаты этой точки будут показаны в нижней части графического окна. 47
Богданова Л.В., Емельянов А.В., Хоперскова Л.В.
Теория электрических цепей и электроника
инструментов) в базовом варианте схемы выпрямительного устройства (Um = 5 В, fc = 500 Гц, Rн = 1 кОм, фильтр отключен): среднее значение выпрямленного напряжения
Я
; действующее значение выпрямленного напряжения , где U0m – амплитудное значение выпрямленного напряжения; cреднее значение выпрямленного тока
ПИ
;
действующее значение выпрямленного тока
, где I0m – амплитудное значение выпрямленного тока; коэффициент преобразования выпрямителя
, где U2д – действующее значение входного напряжения выпрямителя; коэффициент формы тока (отношение действующего значения выпрямленного тока к среднему выпрямленному значению)
КО
; коэффициент пульсации тока нагрузки (отношение действующего значения переменной составляющей выпрямленного тока к его среднему значению) ; коэффициент использования выпрямительного диода по напряжению
; коэффициент эффективности преобразования переменного тока в постоянный (КПД преобразования) . Полученные в результате моделирования и эксперимента значения параметров выпрямительного устройства запишите в таблицу 1 приведенную ниже. Сравните их с теоретическими значениями и объясните отличия. Свои выводы запишите в протокол.
48
Богданова Л.В., Емельянов А.В., Хоперскова Л.В.
Теория электрических цепей и электроника
Таблица 1 Значения коэффициентов, полученные в результате
kпр
ku
kф i
kп i
кпд
расчета (теоретические значения)
Я
моделирования эксперимента
ПИ
4. Ответьте на следующие контрольные вопросы, записывая ответы в протокол: 6 Что произойдет с током нагрузки, если в базовом варианте схемы выпрямительного устройства напряжение увеличится в два раза (um = 10 В)? Что произойдет с током нагрузки, если в базовом варианте схемы выпрямительного устройства частота синусоидального напряжения увеличится в два раза (fc = 1000 Гц)? Что произойдет с током нагрузки, если сопротивление нагрузки увеличится в два раза (Rн = 2 кОм)? Что произойдет с током нагрузки, если емкость фильтра увеличится (Сф = 10 мкФ)? Что произойдет с током нагрузки, если индуктивность фильтра отключить (Lф = 0)? Что произойдет с током нагрузки, если форма напряжения будет не синусоидальной, а прямоугольной (меандр)?
КО
• • •
5. Отчет о выполнении лабораторной работы должен содержать: название и цель работы; схему исследуемого выпрямительного устройства (рис. 2); график входного сигнала uвх(t), графики выходных сигналов выпрямительного устройства uвых(t), полученные после моделирования и эксперимента в режиме холостого хода, при подключении нагрузки, при подключении емкости фильтра и индуктивности фильтра; таблицу 1 со значениями основных параметров выпрямительного устройства; необходимые комментарии и выводы; ответы на контрольные вопросы.
• • •
6
Правильность ответов можно проверить в режиме моделирования или эксперимента, задав условия контрольного вопроса. 49
Богданова Л.В., Емельянов А.В., Хоперскова Л.В.
Теория электрических цепей и электроника
Лабораторная работа № 5 Тема: “Линейные стабилизаторы” Цель работы: изучение работы линейных стабилизаторов напряжения и определение их основных технических характеристик. Порядок выполнения работы
ПИ
Я
После запуска программы PILab, выберите пункт “Стабилизаторы”, а затем “Параметрический стабилизатор” (рис. 1).
Рис. 1
КО
На экране должны отображаться три окна, в одном из которых нарисована схема параметрического стабилизатора (рис. 2). 1. Определение коэффициента стабилизации при холостом ходе Отключите нагрузку в схеме параметрического стабилизатора (режим холостого хода). Для этого необходимо: • навести указатель мыши на изображение сопротивления нагрузки на схеме стабилизатора и щелкнуть правой клавишей; • в открывшемся меню задания параметров нагрузки щелчком левой клавиши выбрать “Разрыв”, при этом изображение сопротивления нагрузки станет бледно серого цвета, если перед этим оно было выбрано одним из разрешенных значений.
50
Теория электрических цепей и электроника
ПИ
Я
Богданова Л.В., Емельянов А.В., Хоперскова Л.В.
Рис. 2
КО
Задайте режим линейного изменения входного напряжения (от Uвх = 10 В при t = 0 с до Uвх = 0 В при t = 0,01 с). Для этого необходимо: • навести указатель мыши на изображение источника входного напряжения на схеме стабилизатора и щелкнуть правой клавишей; • в открывшемся меню (рис. 3) задания параметров входного сигнала левой клавишей выбрать тип сигнала “Табличное значение”; • в разделе меню “Узлы” дважды щелкнуть левой клавишей на кнопку “+” и заполнить первую строку, например: 0 с, 10 В, а затем вторую строку: 0,01 с, 0 В; • задать интервал изменения входного сигнала, для чего в нижней части окна “Интервалы” нажать кнопку “Ред” и в открывшемся окне отредактировать требуемое значение; • снять флажок “Прямоугольная форма”, при этом будет реализована линейная зависимость между заданными значениями входного напряжения; • проконтролировать в графическом окне справа правильность задания параметров входного сигнала; • нажать кнопку “Принять” для передачи заданного входного сигнала на исполнение.
51
Теория электрических цепей и электроника
Я
Богданова Л.В., Емельянов А.В., Хоперскова Л.В.
ПИ
Рис. 3
КО
Нажмите кнопку “Эксперимент” и дождитесь получения результатов эксперимента в выходном графическом окне. Определите точный уровень напряжения стабилизации в начале Uст1(хх) и в конце Uст2(хх) диапазона стабилизации (используя возможности выходного графического окна). Для этого необходимо: • раскрыть полностью выходное графическое окно; • переместить перекрестие визирных линий в начальную точку графика выходного сигнала и в нижней строке (Y=) зафиксировать его максимальное значение; • переместить перекрестие визирных линий в точку графика выходного сигнала, в которой прекращается режим стабилизации, и в нижней строке (Y=) зафиксировать его минимальное значение; • в том случае, если сигнал имеет большие помехи, перейти в режим обработки результатов и применить одну из процедур сглаживания или определения среднего значения в режиме “Статистика”. Определите диапазон изменения входного напряжения ΔUвх(хх), при котором происходит стабилизация напряжения (используя возможности выходного графического окна). Для этого необходимо: • переместить перекрестие визирных линий в начальную точку графика входного сигнала и в нижней строке (Y=) зафиксировать максимальное значение входного сигнала; • переместить перекрестие визирных линий в точку графика входного сигнала, которая по времени соответствует прекращению стабилизации напряжения (см. по графику выходного сигнала), и в нижней строке (Y=) зафиксировать минимальное значение входного сигнала; • в том случае, если сигнал имеет большие помехи, перейти в режим обработки результатов и применить одну из процедур сглаживания. Определите коэффициент стабилизации на холостом ходу 52
Богданова Л.В., Емельянов А.В., Хоперскова Л.В.
Теория электрических цепей и электроника
Кст(хх) = (ΔUвх(хх)/Uвх(хх)) / (ΔUн(хх)/Uн(хх)).
ПИ
Я
2. Определение коэффициента стабилизации при включении нагрузки Включите нагрузку, выбрав максимально возможное значение Rн из разрешенного диапазона. Задайте режим линейного изменения входного напряжения (от Uвх = 10 В при t = 0 с до Uвх = 0 В при t = 0,02 с). Нажмите на кнопку “Эксперимент” и дождитесь получения результатов эксперимента в выходном графическом окне; Определите точный уровень напряжения стабилизации в начале Uст1(Rн1) и конце Uст2(Rн1) диапазона стабилизации (используя возможности выходного графического окна). Определите диапазон изменения входного напряжения ΔUвх(Rн1), при котором происходит стабилизация (используя возможности выходного графического окна). Сравните диапазон изменения входного напряжения на холостом ходу и при нагрузке и сопоставьте полученный экспериментальный результат с теорией. Определите коэффициент стабилизации параметрического стабилизатора при нагрузке Кст(Rн1) = (ΔUвх(Rн1)/Uвх(Rн1)) / (ΔUн(Rн1)/Uн(Rн1)). Сравните значение коэффициентов стабилизации на холостом ходу и при нагрузке.
КО
3. Определите значение выходного сопротивления стабилизатора, используя результаты ранее проведенных измерений Rвых = ΔUн(хх)/ΔIн(хх). 4. Определите значение КПД стабилизатора без нагрузки и с нагрузкой (определяется как отношение мощности, потребляемой нагрузкой, к мощности, поступившей на вход стабилизатора), используя результаты ранее проведенных измерений η = Pн/Pвх = UнIн/UвхIвх. 5. Исследуйте влияние всех доступных параметров на выходные показатели стабилизатора напряжения, варьируя их в произвольном порядке. В частности, найдите такое соотношение параметров, при котором стабилизации выходного напряжения не происходит. Объясните полученный результат.
6. По результатам проведенных исследований ответьте на следующие вопросы: 1. Как изменяется коэффициент стабилизации при изменении нагрузки и почему? 53
Богданова Л.В., Емельянов А.В., Хоперскова Л.В.
Теория электрических цепей и электроника
2. Является ли это изменение линейным? 3. Влияет ли величина емкости фильтра на коэффициент стабилизации?
Тип стабилизатора
Я
7. По заданию преподавателя повторите пункты 1 – 6 выбрав в качестве объекта исследования “Последовательный стабилизатор”, а затем “Параллельный стабилизатор” (рис. 1). Диапазон изменения входного напряжения используйте тот же, что и для параметрического стабилизатора (см. выше п.1 и п.2). Результаты расчетов основных параметров стабилизаторов запишите в таблицу 1. Сравните их и сделайте выводы. Таблица 1
Значения основных параметров
Кст(хх)
Кст(Rн)
Rвых
КПД
ПИ
параметрический последовательный параллельный
КО
7. Отчет о выполнении лабораторной работы, для каждого из исследуемых стабилизаторов, должен содержать: • схему исследуемого стабилизатора; • расчет коэффициентов стабилизации на холостом ходу (Кст(хх)) и при нагрузке (Кст(Rн)); • расчет выходного сопротивления стабилизатора (Rвых) и значения его КПД без нагрузки и с нагрузкой; • необходимые комментарии и выводы; • ответы на контрольные вопросы.
54
Богданова Л.В., Емельянов А.В., Хоперскова Л.В.
Теория электрических цепей и электроника
СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 1.
Атабеков Г.И. Теоретические основы электротехники. Ч. I. Линейные
электрические цепи. М.: Энергия. 1978. 529 с. 2. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. Электрические
Я
цепи: Учебник. – 10-е изд. – М.: Гардарики, 2002. –638 с.: ил. 3. Евдокимов Ф.Е. Теоретические основы электротехники: Учеб. для средн.
спец. учеб. заведений. – 7-е изд., испр. и доп. – М.: Высш. шк., 1999. – 495 с.: ил.
4. Касаткин А.С., Немцов М.В. Электротехника. Учеб. для вузов. – 6-е изд.
ПИ
перераб. – М.:Высш. шк., 2000. – 542 с.: ил.
5. Нейман Л.Р., Демирчан К.С. Теоретические основы электротехники, Ч. I,
II. – М.: Энергия, 1981.
6. Попов В.П. Основы теории цепей: Учеб. для вузов. – 3-е изд., испр. – М.:
Высш. шк., 2000 – 575 с.: ил.
7. Теоретические основы электротехники / Под ред. П. А. Ионкина. Ч I, II. –
М.: Высш. шк., 1975.
8. Основы промышленной электроники: Учеб. для неэлектротехн. спец.
вузов/под ред. В.Г. Герасимова .–М,: Высш. школа, 1986.– 336 с. Ю.С. Промышленная электроника: Учебник для вузов.–М.:
КО
9. Забродин
Высш. школа, 1982.–496 с.
10. Лачин В.И., Савелов Н.С. Электроника: Учеб. пособие. 3-е изд., перераб.
и доп. – Ростов н/Д: изд-во «Феникс», 2002.–576 с.
55
Богданова Л.В., Емельянов А.В., Хоперскова Л.В.
Теория электрических цепей и электроника
ПРИЛОЖЕНИЕ
Я
Интернет-Лаборатория "ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОНИКИ" (Техническое описание) 1. Удаленный доступ к лабораторному оборудованию по сети Интернет
ПИ
Экспериментальные исследования в составе данной лаборатории осуществляются в режиме удаленного доступа многих пользователей к единичному комплекту лабораторного оборудования по компьютерной сети Интернет (или локальной сети Ethernet). Такой режим проведения лабораторных работ осуществляется следующим образом: На персональном рабочем месте удаленного пользователя загружается клиентское программное обеспечение (ПО), которое, в частности, позволяет: выбрать конкретный объект изучения из общего списка, настроить параметры объекта изучения в соответствии с требованиями индивидуального задания, задать алгоритмы и параметры управления, задать алгоритмы и параметры каналов измерения;
˜
Сформированный таким образом программный блок задания передается по сети Интернет на сервер лабораторного стенда, где он проверяется на наличие прав доступа у конкретного пользователя к лабораторному оборудованию и ставится в очередь на исполнение;
КО
˜
˜
При получении разрешения на право доступа программный блок задания передается с сервера лабораторного стенда на микропроцессорный контроллер объектного модуля для исполнения задания;
˜
Выполненное задание с микроконтроллера передается на сервер лабораторного стенда и далее - по каналу Интернет конкретному пользователю, на компьютере которого происходит дальнейшая обработка результатов экспериментального исследования.
56
Богданова Л.В., Емельянов А.В., Хоперскова Л.В.
Теория электрических цепей и электроника
ПИ
Я
2. Интернет-Лаборатория "ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОНИКИ"
Рис. 1. Внешний вид Интернет-Лаборатории "ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОНИКИ"
КО
Интернет-Лаборатория (Рис. 1) – это эффективное применение современных сетевых информационно-коммуникационных технологий для создания тиражируемого учебного лабораторного оборудования, содержащего все необходимые компоненты (объектная, информационно-измерительная, программно-методическая и энергетическая подсистемы), компактно размещаемые в стандартных конструктивах и способные автономно работать в сети Интернет при минимальных требованиях к внешним подключениям (типовые электрические и коммуникационные сети). Портативное исполнение учебного лабораторного оборудования обеспечивает его мобильность, т.е. свободу перемещения на значительные расстояния без потери функциональных свойств, что открывает возможности коллективного использования лабораторного оборудования многими территориально распределенными пользователям, например, посредством договоров аренды с региональными ресурсными центрами. Оснащение подобным стандартным и тиражируемым лабораторным оборудованием региональных ресурсных центров и учебных заведений разного уровня (школ, ПТУ, ССУЗов, ВУЗов) обеспечит единый уровень практической подготовки учащихся при одновременном сокращении капитальных и эксплуатационных затрат за счет значительного сокращения количест57
Богданова Л.В., Емельянов А.В., Хоперскова Л.В.
Теория электрических цепей и электроника
ва требуемого лабораторного оборудования, площадей, обслуживающего персонала. 3. Состав Интернет-Лаборатории «ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОНИКИ»
ПИ
Я
Типовой набор объектных модулей, каждый из которых содержит высокопроизводительный цифровой сигнальный процессор типа TMS320F243 производства фирмы Texas Instruments, специальный Ethernet-чип для выхода в сеть, а также несколько объектов изучения, образующих раздел или тему учебной дисциплины Серверное программное обеспечение, предназначенное для определе-ния прав и очередности доступа пользователей, обмена информацией между удаленными пользователями и лабораторным оборудованием. Объектное программное обеспечение, предназначенное для автоматизированного выполнения средствами микроконтроллера TMS320F243 индивидуального задания каждого пользователя (выбор объекта изучения, настройка его параметров, задание тестовых сигналов, многоканальный контроль параметров и т.д.). Клиентское программно-методическое обеспечение, предназначен-ное для теоретического изучения объекта, контроля знаний, моделирования заданных режимов работы, экспериментального исследования в режиме удаленного доступа, математической обработки результатов. 4. Функциональные возможности Интернет-Лаборатория «ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОНИКИ» содержит более 65 объектов экспериментального изучения, охватывающих базовые элементы, типовые интегральные микросхемы, основные устройства электроники, находящиеся в составе следующих сменных объектных модулей:
КО
4.1. Модуль «Электрические цепи» – PIL001. Объектами изучения являются разветвленные электрические цепи постоянного и переменного (однои трехфазного) тока. Возможно изучение фундаментальных законов электротехники, переходных процессов в RLC-цепях различных конфигураций, явлений резонанса (всего не менее 20 лабораторных работ). Модуль выполнен в виде двух стандартных плат 100*200 мм (Рис.2): ˜ Плата микроконтроллера включает полный набор компонентов высокопроизводительного микроконтроллера типа TMS320F243 и предназначена для связи объектного модуля с внешним пользователем по каналу Ethernet, выполнения всех необходимых коммутаций и измерений параметров на объектной плате; ˜ Объектная плата содержит целевой набор блоков, узлов и элементов, а также средств их коммутации, необходимых для изучения свойств электрических цепей постоянного и переменного тока различной конфигурации. 58
Богданова Л.В., Емельянов А.В., Хоперскова Л.В.
Теория электрических цепей и электроника
КО
ПИ
Я
Для этого на объектной плате размещены следующие технические средства: - Блок элементов электрической цепи содержит три одинаковых набора RLC элементов (А, В, С), которые посредством электронных коммутаторов могут образовывать последовательное, параллельное, смешанное и многофазное соединения. При этом каждый элемент может быть задан одним из четырех стандартных номиналов, указанных в меню настройки параметров (либо любой их комбинацией при параллельном включении), а также может быть выбран режим разрыва цепи на месте данного элемента или режим его короткого замыкания. - Трехфазный генератор тестовых сигналов выполнен на базе трех программно управляемых от микроконтроллера, 8-разрядных цифроаналоговых преобразователей (ЦАП1 - ЦАП3) с последующим подключением к их выходам усилителей мощности (У1 - У3) на базе операционных усилителей с выходным током до 100 мА по каждому каналу. Удобное пользовательское меню предусматривает индивидуальную настройку каждого канала с выбором стандартной синусоидальной формы, а также возможность табличной настройки тестового сигнала произвольной формы. Возможна настройка амплитуды (в диапазоне +/- 3 В), частоты (в диапазоне 0-1000 Гц), и фазы (в диапазоне 0-360 град). - Блок электронных коммутаторов, который в соответствии с поступившим индивидуальным заданием пользователя по каналу Ethernet после соответствующей его обработки на плате микроконтроллера осуществляет все необходимые переключения, связанные с выбором объекта изучения, настройкой его параметров, подачей тестовых сигналов, измерением контролируемых величин и пр. Блок выполнен на базе микросхем типа ADG714, которые имеют низкое значение переходного сопротивления (около 2.5 Ом), что очень важно при изучении электрических цепей (особенно резонансных явлений). Однако данный тип электронных коммутаторов требует низкого значения подаваемого на него напряжения (не более +/- 3 В), поэтому в индивидуальных задания подаваемые на схему напряжения не должны превышать +/- 2.5 В. Управление блоком коммутаций осуществляется с платы микроконтроллера по последовательному интерфейсу SPI. - Блок измерительных преобразователей включает датчики токов и операционные усилители, нормализующие сигналы токов и напряжений, приводя их в согласование со входом 16-канального 10-разрядного АЦП, входящего в состав микроконтроллера и имеющего время собственного преобразования 1 мкс. - Контролируемые параметры: три тока в каждой ветви электрической цепи (I , I , I ), измеряемые датчиками токов (Дт1-Дт3) и девяти напряжеA
B B
C
ний на каждом элементе электрической цепи (U , U , U ) в каждой из трех ветвей (А, В, С).
R
C
L
59
Теория электрических цепей и электроника
ПИ
Я
Богданова Л.В., Емельянов А.В., Хоперскова Л.В.
Рис.2. Функциональная блок-схема модуля "Электрические цепи"
КО
4.2. Модуль «Диоды и транзисторы» – PIL002. Объектами изучение являются широко используемые полупроводниковые диоды и транзисторы (всего не менее 16 лабораторных работ). Для каждого типа полупроводникового прибора изучаются их вольт-амперные характеристики и схемы включения. Модуль выполнен в виде двух стандартных плат 100*200 мм (Рис.3): ˜ Плата микроконтроллера включает полный набор компонентов высокопроизводительного микроконтроллера типа TMS320F243 и предназначена для связи объектного модуля с внешним пользователем по каналу Ethernet, выполнения всех необходимых коммутаций и измерений параметров на объектной плате; ˜ Объектная плата содержит целевой набор блоков, узлов и элементов, а также средств их коммутации, необходимых для изучения вольт-амперных характеристик и схем включения полупроводниковых приборов.
Для этого на объектной плате размещены следующие технические средства: - Блок изучаемых диодов и транзисторов, который в базовом варианте содержит 8 диодов и 8 транзисторов. По требованию Заказчика могут быть установлены другие типы диодов и транзисторов. - Источник входных сигналов, который предназначен для подачи на входы 60
Богданова Л.В., Емельянов А.В., Хоперскова Л.В.
-
КО
-
Я
-
изучаемых транзисторов тестовых сигналов и выполнен на базе программно управляемого от микроконтроллера по последовательному интерфейсу SPI 8-разрядного цифро-аналогового преобразователя (ЦАП1) с последующим подключением к его выходу преобразователя уровня выходного напряжения с 0-3.3 В до +/-13 В. Источник базового напряжения, который предназначен для питания изучаемых диодов и транзисторов и выполнен на базе программно управляемого от микроконтроллера по последовательному интерфейсу SPI 8разрядного цифро-аналогового преобразователя (ЦАП2) с последующим подключением к его выходу преобразователя уровня выходного напряжения с 0-3.3 В до +/-13 В и переключателя полярности. Блок электронных коммутаторов, который в соответствии с поступившим индивидуальным заданием пользователя по каналу Ethernet после соответствующей его обработки на плате микроконтроллера осуществляет все необходимые переключения, связанные с выбором объекта изучения, настройкой его параметров, подачей тестовых сигналов, измерением контролируемых величин и пр. Блок измерительных преобразователей включает датчики токов и операционные усилители, нормализующие сигналы токов и напряжений, приводя их в согласование со входом 16-канального 10-разрядного АЦП, входящего в состав микроконтроллера и имеющего время собственного преобразования 1 мкс. Контролируемые параметры: входные и выходные токи и напряжения каждого объекта изучения.
ПИ
-
Теория электрических цепей и электроника
61
Лидия Владимировна Богданова, Алексей Викторович Емельянов, Людмила Владимировна Хоперскова
ТЕОРИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ И ЭЛЕКТРОНИКА Практическая часть. Методические указания и задания к выполнению лабораторных работ с помощью программно-методического комплекса «Интернетлаборатория» Темплан 2008г. Поз.№ Лицензия ИД №04790 от 18.05.2001г. Подписано в печать г. Формат 60х84 1/16. Бумага газетная. Гарнитура Times. Печать офсетная. Усл. печ. л. 3,5 . Тираж 100 экз. Заказ Волгоградский государственный технический университет. 400131, г. Волгоград, пр. Ленина, 28. РПК “Политехник” Волгоградского государственного технического университета. 400131, г. Волгоград, ул. Советская, 35.
