Протокол измерений к лабораторной работе № 21

Общие указания и правила выполнения лабораторных работ

Выполнение лабораторных работ – важная часть учебного процесса, преследующая цель более глубокого усвоения теоретических положений изучаемой дисциплины и приобретения навыков исследовательской работы.

Перед началом лабораторных работ студенты должны изучить правила и технику безопасности работы в лаборатории.

Для успешного проведения лабораторных занятий каждая лабораторная работа выполняется бригадой в составе 2–3 человека. Бригада обязана проделать все лабораторные работы, предусмотренные учебным планом кафедры.

До начала очередной лабораторной работы студент должен ознакомиться с соответствующими указаниями и рекомендованной литературой. Перед выполнением работы необходимо иметь заранее заготовленную форму протокола измерений. Бланк протокола измерений должен быть подготовлен каждым студентом перед лабораторной работой с использованием множительной техники или переписан от руки.

Прежде чем приступить к выполнению работы, студент должен твердо знать теоретический материал темы, к которой принадлежит данная работа, ясно представлять поставленную в работе задачу, способы ее разрешения и ожидаемые результаты.

Вся экспериментальная часть работы выполняется в полном объеме и той последовательности, как это предусмотрено данными методическими рекомендациями, под наблюдением преподавателя.

Если составляются сложные схемы, следует придерживаться определенного порядка: сначала соединяются последовательно цепи всех приборов с соответствующей аппаратурой, а затем – все параллельные цепи приборов и аппаратура, относящаяся к ним. При соединении элементов цепи и измерительных приборов рекомендуется подключать к клеммам не более двух проводников. Соединяя элементы цепи, следует обратить внимание на правильное включение генераторных зажимов приборов (фазометра, ваттметра). В работах на постоянном токе, необходимо следить за правильным включением приборов, поскольку показания их зависят от направления тока.

Во всех случаях, когда возникает сомнение в правильности полученных результатов измерений, необходимо повторить их вместе с преподавателем.

Обращение с приборами и оборудованием требует большой осторожности и внимательности. Включать напряжение для выполнения опыта можно только после проверки цепи преподавателем или лаборантом.

Описание каждой лабораторной работы в данном учебном пособии включает теоретическую часть, практическую часть и образец бланка протокола измерений.

 

Составление протокола измерений

Протокол измерений должен вестись с особой тщательностью, так как он является единственным документом, остающимся в распоряжении экспериментаторов. В протоколе должны отмечаться содержание соответствующего пункта лабораторной работы по программе, электрическая схема, по которой производились измерения.

Запись измерений необходимо вести карандашом в таблицах, указывая в заголовках граф таблиц наименование измеряемых величин и единицы измерения.

Ошибочные записи, промахи и сомнительные наблюдения зачеркиваются, но так, чтобы зачеркнутое можно было разобрать.

Если проведение опыта требует выполнения предварительных расчетов, то в протоколе должны быть указаны формулы, по которым они производились и числовые значения, подставленные в формулы.

Рекомендуется после выполнения каждого пункта работы производить, хотя бы ориентировочно, требуемые программой расчеты и построения. Это дает возможность установить правильность проведения опыта.

После выполнения лабораторной работы заполненный протокол утверждается у преподавателя и является неотъемлемой частью отчета о лабораторной работе. Отсутствие у студента утвержденного протокола приравнивается к прогулу. Результаты измерений предъявляются для просмотра преподавателю до разборки исследуемой цепи, затем обводятся чернилами.

Если результаты наблюдений оказываются неудовлетворительными, то опыт необходимо повторить. Удовлетворительные результаты подписываются преподавателем.

 

Составление отчета

На основании протокола измерений составляется отчет о работе, который включает все данные, занесенные в протокол наблюдений, а также все необходимые вычисления, схемы, графики и диаграммы.

Отчет по выполненной работе составляется по соответствующей форме, приведенной в каждой работе, и должен содержать титульный лист с полной информацией об авторе.

Представляя результаты в графической форме, следует пользоваться масштабами, которые давали бы возможность легко пользоваться графиком. Рекомендуется применять шкалы, масштаб которых выражается числами 1, 2 или 5, умноженными на 10 n, где n – целое число. Координатные оси должны быть обозначены с указанием единиц измерения.

На графиках экспериментальных зависимостей обязательно должны быть отмечены точки кривой, полученные в результате эксперимента. На расчетных кривых точки не ставятся.

Векторные и круговые диаграммы должны быть построены в масштабе с указанием его на диаграмме. Масштаб на векторных и круговых диаграммах обозначается указанием масштабного коэффициента. Например, если на диаграмме напряжений отрезку 1 см соответствует 5 В, то следует писать m_U =5 В/см. Если на диаграмме токов отрезку 1 см соответствует 0,1 A, то следует писать m_I = 0,1 A/см.

Отчет представляется преподавателю к следующему лабораторному занятию отдельно каждым студентом. Без сдачи отчета студент не допускается к выполнению очередной работы. Кроме того, вместе с отчетами каждый студент представляет протокол измерений, подписанный ранее преподавателем.

Цель работы

Исследование электрических цепей, содержащих полупроводниковые вентили, при питании их от источника синусоидального напряжения и изучение основных соотношений при однополупериодном и двухполупериодном выпрямлении переменного тока, сопоставление теоретических и экспериментальных данных при работе выпрямителей с резистивной нагрузкой.

 

Общие сведения

Эффект выпрямления переменного тока в электрической цепи достигается включением в нее нелинейного элемента с несимметричной (относительно начала координат) характеристикой для мгновенных значений. В качестве таких элементов обычно используют электрические вентили - полупроводниковые приборы, проводимость которых значительно зависит от направления тока.

 

Рис. 1

Рис. 2

 

На рис. 1 показаны ВАХ реального (а) и идеального (б) вентилей. Схема однополупериодного выпрямителя показана на рис. 2. Вершина треугольника в обозначении (символе) диода указывает направление наибольшей проводимости, соответствующее участку ВАХ, расположенному в первом квадранте на рис. 1.

При синусоидальном напряжении ток в цепи не будет синусоидальным. Зависимость тока от времени можно построить графически.

На рис. 3 кривая 1 - ВАХ вентиля, прямая 2 - ВАХ резистора, их сумма по второму закону Кирхгофа - кривая 3.

В нижней системе координат построена кривая , а в правой - зависимость тока от , точки которой определяются следующим образом: задаются несколькими значениями в нижней и правой системах координат (на рис. 3 показаны только и ), по кривой в нижней системе для выбранных значений находят соответствующие им значения , которые переносят на ВАХ цепи (кривая 3), а найденные по ней значения тока для выбранных переносят в правую систему координат. Определение положения для точек А и В для и ясно из рис. 3.

Если вентиль идеальный, то значение прямого тока определяется только сопротивлением нагрузки , а обратный ток равен нулю.

В этом случае несинусоидальный ток можно представить рядом Фурье:

, (1)

где - максимальное значение выпрямленного тока.

 

Рис. 3

 

Из разложения в ряд видно, что постоянная составляющая и амплитуда первой гармоники тока соответственно равны

и . (2)

Действующее значение переменного тока

. (3)

Для выпрямителя с идеальным вентилем и резистивной нагрузкой

. (4)

Напряжение на нагрузке также несинусоидальной формы. При известных гармонических составляющих разложения в ряд Фурье действующее значение напряжения на нагрузке

, (5)

где - постоянная составляющая напряжения на нагрузке, - квадрат действующего значения переменной составляющей напряжения на нагрузке.

 

В эксперименте постоянная составляющая тока измеряется амперметром магнитоэлектрической системы, а амплитуда первой гармоники определяется расчетным путем.

Активная мощность источника равна мощности нагрузки и определяется только первой гармоникой тока (т. к. в напряжении источника других гармоник нет).

, (6)

где U - действующее значение приложенного к цепи напряжения,

P - активная мощность энергии, отдаваемой источником в цепь.

 

Из (2), (4) и (6) следует

, (7)

 

В эксперименте действующее значение тока измеряется амперметром, встроенным в модуль измерителя фазы, постоянная составляющая напряжения на нагрузке измеряется вольтметром магнитоэлектрической системы, а переменная составляющая измеряется вольтметром электромагнитной системы, подключенным к нагрузке через конденсатор.

 

На рис. 4 изображена схема двухполупериодного мостового выпрямителя с резистивной нагрузкой. ВАХ цепи с двух­полупериодным выпрямителем одинакова для положительных и отрицательных напряжений источника питания, поэтому ток в цепи источника имеет синусоидальную форму (при идеальных вентилях). Через нагрузку ток протекает всегда только в одном направлении, поэтому при расчете тока нагрузки ВАХ цепи изображают симметричной относительно оси ординат (рис. 5).

 

 

Рис. 4

 

Разложение зависимости тока нагрузки от времени в ряд Фурье имеет вид

. (8)

Аналогичное выражение можно записать и для напряжения на нагрузке R_Н, т. к. оно связано с током по закону Ома.

 

Рис. 5

 

При двухполупериодном выпрямлении ток через нагрузку проходит в течение обоих полупериодов, поэтому его постоянная составляющая будет в 2 раза, а действующее значение - в раз больше, чем при однополупериодном выпрямлении при тех же значениях напряжения источника и сопротивления нагрузки. Также можно отметить, что переменная составляющая напряжения (пульсации напряжения) на нагрузке у этого выпрямителя меньше.

Содержание и порядок выполнения работы

Источником постоянного напряжения является модуль ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ. Источником синусоидального напряжения является модуль ФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ ГЕНЕРАТОР. В работе используют измерительные приборы из блоков ИЗМЕРИТЕЛЬ ФАЗЫ и МОДУЛЬ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ или МОДУЛЬ МУЛЬТИМЕТРОВ. При указании преподавателя снять осциллограмму дополнительно используется ОСЦИЛЛОГРАФ.

Пассивные элементы электрической схемы выбирают из блоков МОДУЛЬ НЕЛИНЕЙНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ, МОДУЛЬ РЕАКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ, МОДУЛЬ РЕЗИСТОРОВ. Рекомендуемые величина сопротивления нагрузки выпрямителя и частота источника питания представлены в табл. 1.

Таблица 1

Вариант
R, Ом
f, Гц

 

Исследование несимметричной ВАХ нелинейной цепи.

· Для исследования ВАХ собрать цепь из последовательно соединённых диода и нагрузочного сопротивления по рис. 6.

 

Рис. 6. Функциональная схема цепи для исследования ВАХ

 

· Записать в протокол параметры цепи в соответствии с вариантом.

· Проверить собранную электрическую цепь в присутствии преподавателя. До проверки преподавателем включать цепь категорически ЗАПРЕЩАЕТСЯ.

· Включить автоматический выключатель QF и тумблер Сеть блока МОДУЛЬ ПИТАНИЯ.

· Изменяя напряжение источника питания снять ВАХ цепи для прямого включения диода при питании постоянным током. Результаты записать в табл. 1П. Обратная ветвь характеристики не исследуется – обратный ток диода принимается равным нулю.

 

Исследование однополупериодного выпрямителя.

· Собрать цепь для исследования однополупериодного выпрямителя по рис. 7. Для наблюдения формы напряжения на нагрузке параллельно сопротивлению подключить осциллограф.

 

Рис. 7. Функциональная схема цепи для исследования выпрямителя

 

· Проверить собранную электрическую цепь в присутствии преподавателя. До проверки преподавателем включать цепь категорически ЗАПРЕЩАЕТСЯ.

· Включить автоматический выключатель QF блока МОДУЛЬ ПИТАНИЯ и тумблер Сеть модуля ФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ ГЕНЕРАТОР. Переключатель Форма установить в положение ~.

· Регулятором Амплитуда установить величину действующего значения напряжения U= 7...8 В. Регулятором Частота установить на выходе модуля ФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ ГЕНЕРАТОР частоту f (при определении частоты генератора показания частотомера не нужно умножать на множитель диапазона).

· Записать показания всех приборов в табл. 2П руководствуясь методическими указаниями.

· Срисовать временную диаграмму напряжения на нагрузке с экрана осциллографа, указать на рисунке масштабы времени и напряжения.

· Выполнить предварительные расчеты, указанные в протоколе измерений (табл. 3П).

· Протокол измерений утвердить у преподавателя.

· Выключить тумблер Сеть модуля ФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ ГЕНЕРАТОР и автоматический выключатель QF модуля питания. Разобрать цепь, прибрать рабочее место.

 

 

Методические указания

В цепи несинусоидального тока электроизмерительные приборы различных систем реагируют на различные значения токов и напряжений. В лаборатории имеются приборы магнитоэлектрической системы, измеряющие постоянную составляющую токов и напряжений и приборы электромагнитной и электродинамической системы, измеряющие действующие значения токов и напряжений.

Условные обозначения типа приборов приводятся на циферблате:

 

- прибор магнитоэлектрический,

- прибор электромагнитный,

- прибор электродинамический.

 

При занесении результатов измерений в табл. 1 и 2 следует иметь в виду, что действующее значение напряжения источника U измеряется вольтметром V₁, встроенным в измеритель фазы, переменная составляющая напряжения на нагрузке U _~ через конденсатор измеряется вольтметром V₃ электромагнитной или электродинамической системы, постоянная составляющая напряжения на нагрузке U₀ измеряется вольтметром V₂ магнитоэлектрической системы, а тока I₀ - амперметром А₂ магнитоэлектрической системы. Амперметр А₁, встроенный в измеритель фазы измеряет действующее значение тока в цепи.

 

 

Протокол измерений к лабораторной работе № 21

« Нелинейные цепи с несимметричными вольт-амперными характеристиками »

 

Параметры цепи для варианта (указать размерность всех величин):

f =

R =

С = 22 мкФ

 

Исследование несимметричной ВАХ нелинейной цепи.

Рис 1П. Схема замещения цепи.

Таблица 1П. ВАХ цепи

U, В
I, мА

 

Исследование однополупериодного выпрямителя.

 

Рис 2П. Схема замещения цепи.

Таблица 2П. Режим работы цепи

U, В	I, мА	P, Вт	U0, В	I0, мА	U~, В

 

 

Предварительные расчеты (указать размерность всех величин).

Таблица 3П. Предварительные расчеты

 

 

Работу выполнил:__________________

 

Работу проверил:__________________

Содержание отчета

1. Отчет должен содержать титульный лист с темой лабораторной работы, датой оформления, информацией о студенте: фамилия, курс и группа.

2. Нарисовать принципиальную схему исследуемой электрической цепи, включающую измерительные приборы, указать величины параметров R, С.

3. Построить три системы координат, как показано на рис. 3. В системе i - u построить ВАХ цепи по данным табл. 1П.

4. Пользуясь ВАХ цепи как характеристикой для мгновенных значений, построить для осуществленного в эксперименте режима (по табл. 2П) график тока по методике, описанной при построении графика на рис. 3.

5. В этой же системе координат построить постоянную составляющую I₀, первую гармонику тока (по табл. 3П) и их сумму.

6. На основании срисованной с экрана осциллографа временной диаграммы напряжения на нагрузке рассчитать (используя закон Ома) и изобразить временную диаграмму тока нагрузки. Сравнить полученную зависимость с графиками из п. 4 и п. 5.

7. Сопоставить результаты экспериментов и расчетов по данным таблиц 2П и 3П и перечислить возможные причины некоторого расхождения значения при использовании различных методов расчета.

 

 

Вопросы для самопроверки

1. Как рассчитать постоянную составляющую и действующее значение тока по кривой его мгновенных значений?

2. Как рассчитать действующее значение тока (напряжения), если известны его гармонические составляющие?

3. Почему постоянная составляющая тока в цепи с реальными вентилями отличается от ее значения в цепи с идеальными вентилями при одном и том же напряжении питания?

4. Почему действующее значение тока выпрямителя с идеальными вентилями отличается от действующего значения при реальных вентилях?

5. Сравнить и источника при однополупериодном и двухполупериодном выпрямлении. Почему в одном случае при идеальных вентилях , а в другом ?

6. Как по известной ВАХ цепи с идеальным вентилем и резистивной нагрузкой построить ВАХ для действующих значений переменного тока в цепи при синусоидальном напряжении источника?