Лабораторная работа № 11.

«Исследование нелинейных цепей постоянного тока».

Цель работы. Освоение методики измерения и обработки вольтамперных характеристик нелинейных элементов и цепей.

Общие сведения.

Элементы электрических цепей сопротивление которых зависит от напряжения или тока называются нелинейными элементами НЭ. Электрическая цепь содержащая хотя бы один НЭ является нелинейной цепью НЦ. Вольтамперные характеристики ВАХ НЦ и НЭ не линейны, их не всегда можно описать аналитическими зависимостями, поэтому для НЦ применяются графические и графоаналитические методы расчета.

Один из вариантов графического метода расчетов заключается в замене параллельного и последовательного соединений НЭ эквивалентным нелинейным сопротивлением, ВАХ которого совпадает с ВАХ результирующей цепи. При параллельном соединении двух НЭ (рис. I,а) к ним приложено одно и то же напряжение U, а ток в неразветвленной части цепи равен сумме токов в ветвях I=I₁+I₂. Для построения общей ВАХ I=f(U) нужно для ряда значений напряжения U сложить ординаты ВАХ элементов I₁=f(U) и I₂=f(U).

Рис.1.ВАХ цепи при параллельном соединении элементов.

При последовательном соединении двух НЭ (рис.2,а) ток в элементах одинаков, а общее напряжении равно сумме напряжений на отдельных элементах: U=U₁+U₂. Для построения общей ВАХ нужно для ряда значений тока сложить по напряжению абсциссы исходных кривых.

Рис.2. ВАХ последовательно соединенных элементов.

Изложенный метод справедлив и для случая, когда одно или несколько сопротивлений являются линейными.

Свойства НЭ могут быть охарактеризованы не только ВАХ, но и зависимостями статического и дифференциального сопротивления от тока или напряжения. Статическим сопротивлением в точке А ВАХ (рис.3) называется отношение напряжений к току

R_с =U_a/I_a. Дифференциальное сопротивление в точке определяется отношением малых приращений напряжения ∆U и тока ∆I: R_Д≈ .

Рис.3.Определение статического и динамического сопротивлений.

Порядок выполнения работы.

В качестве нелинейных элементов в работе используются лампы накаливания, при нагревании их сопротивление увеличивается.

1. Измерение ВАХ ламп Л1, Л2, Л3.

Собрать схему представленную на рис.1., установив лампу Л1. Целесообразно Л1 и вольтметр включить в соединение трех клемм в правом нижнем углу макета, источник питания в левую клемму макета плюсом (красная клемма) в верхний контакт левой клеммы макета, амперметр подключить к верхней правой клемме макета, у амперметра левый вывод (-), правый (+). Установить необходимые перемычки. На амперметре установить предел измерения 75 мА*2 (150 делений шкалы будут соответствовать 150 мА тока. На источнике питания установить U=0 и I=1 A. ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ на лампы напряжение больше Е подавать нельзя. Разбить на 5-7 примерно одинаковых интервалов величину Е в зависимости от варианта и записать их в таблицу 1. Е записать цифрой. Включить питание приборов.

Рис.4. Принципиальная электрическая схема измерения ВАХ ламп.

Таблица 1.

Устанавливая на источнике питания записанные в таблице значения U, измерять ток первой лампы. Сменить лампу 1 на Л2 повторить измерения, тоже проделать с лампой Л3.При необходимости сменить предел измерения амперметра (стрелка зашкаливает). Вольтметр в этом эксперименте контролирует правильность установки напряжения. Приборы не выключать. Отсоединить провод от + источника питания.

2. Исследование нелинейной цепи.

Собрать схему представленную на рис.5. Вольтметр и Л3 оставить на месте. Лампу Л1 установить в соседнее одноместное гнездо, соединить перемычкой верхние гнезда ламп Л1 и Л3, к этому узлу подсоединить (-) амперметра. В верхнее гнездо макета вставить лампу Л2.

Установить на источнике заданное в таблице 2 напряжение (0,4Е и 0,8Е записать цифрами согласно варианту), подсоединить провод к (+) источника. Все готово для заполнения таблицы 2. Амперметр показывает ток I2, вольтметр напряжение U1. Для измерения тока I3 необходимо отсоединить перемычку соединяющую лампы Л1 и Л3 от Л3 и подсоединить к (+) амперметра (ток через Л1 будет протекать мимо амперметра). Амперметр измеряет ток I3 через лампу Л3. Для измерения тока I1 необходимо поменять местами провода подходящие к лампам Л1 и Л3, амперметр подключен к лампе Л1. Для измерения напряжения U2 нижний (земляной) провод вольтметра переносим к левому контакту лампы Л2, вольтметр покажет значение напряжения U2 (измениться полярность, но нас интересует величина).

Рис.5. Схема исследования нелинейной цепи.

Таблица 2.

Строчка таблицы 2 заполнена, возвращаем провод вольтметра на место, перемычкой соединяем Л1 и Л3. Устанавливаем на источнике питания другое напряжение, повторяем измерения. После проверки полученных данных, выключаем приборы, элементы на стол преподавателя.