Амплитудно-фазовые соотношения в простых цепях

Елабужский филиал федерального государственного
бюджетного образовательного учреждения
высшего профессионального образования
«Казанский национальный исследовательский технический университет
им.А.Н.Туполева»
Кафедра Информационных технологий
Курсовой проект по предмету
информатика
На тему «Исследование параметров электрических цепей на ПК»
Исполнитель: студент гр.22108
_____________________________
Руководитель:
К.т.н. Конюхова В.М.
Елабуга 2014
Оглавление
Введение ............................................................................................................................................................ 3
Основные компоненты программы ElectronicsWorkbench ....................................................................... 4
Ход работы ......................................................................................................................................................... 5
Исследование элементов электрических цепей. Идеальный источник ЭДС ........................................... 5
Зависимые источники питания. ................................................................................................................... 7
Идеальные источники постоянного тока .................................................................................................... 9
Преобразования двухполюсников............................................................................................................. 13
Амплитудно-фазовые соотношения в простых цепях .............................................................................. 14
Заключение ...................................................................................................................................................... 19
2
Введение
ElectronicsWorkbench
-
это
электронная
лаборатория
на
ПК,
предназначена для моделирования и анализа электрических схем (Аналоговых,
цифровых и цифро-аналоговых). В библиотеках имеется широкий набор
активных и пассивных элементов.
В библиотеку входят пассивные элементы, транзисторы, управляемые
источники, управляемые ключи, гибридные элементы, индикаторы, логические
элементы, тригерные устройства , цифровые и аналоговые элементы а так же
огромный набор приборов для измерения: вольтметр, амперметр, осциллограф,
генератор слов, логический анализатор и логический преобразователь.
Базовые компоненты:
1)
Соединяющий узел (точка) - к каждому узлу можно присоединить
не более 4 проводников.
2)
Заземление - имеет нулевое напряжение для отчёта потенциала. Не
все схемы нуждаются в заземлении, однако схемы которые содержат
осциллограф, трансформатор должны быть заземлены, иначе они не будут
производить измерение правильно.
3)
Все источники в программе ElectronicsWorkbench идеальны,
внутреннее сопротивление идеального источника равно нулю, а выходное
напряжение не зависит от нагрузки. Идеальный источник тока имеет
бесконечно большое внутренние сопротивление по этому ток не зависит от
сопротивление нагрузки.
3
Основные компоненты программы ElectronicsWorkbench
Рис.1. Отображение основных компонентов
Действующее значение напряжения:
Действующее значение тока:
Для установки требуются основные параметры:
1)
4 мегабайта на жёстком диске
2)
ОС XP
3)
Процессор IBM 486 и выше
4)
8 мегабайт ОЗУ
4
Ход работы
Исследование элементов электрических цепей. Идеальный источник
ЭДС
Элементы
электрической
цепи
можно
разделить
на
элементы,
генерирующие энергию(источники питания, активные элементы), элементы,
преобразующие
электромагнитную
энергию
в
другие
формы
энергии
(резистивные элементы). Свойства первых двух групп элементов можно
описывать зависимостями тока через них от напряжения(вольтамперными
характеристиками). Исследовать их свойства можно применяя сигналы, не
изменяющиеся во времени. Токи и напряжения в реактивных элементах связаны
интегро-дифференциальными зависимостями, и для исследования их свойств
необходимо генерировать изменяющиеся во времени сигналы.
Независимые идеальные источники питания. Простейшими источниками
питания в электротехнике являются идеальные источники тока и напряжения.
Они имеют бесконечно большую мощность. Свойства и обозначения основных
типов идеальных источников (активных двухполюсников), использующихся в
электротехнике.
5
Рис.3. Не идеальный источник ЭДС
Снятие вольтамперных характеристик с помощью амперметра и
вольтметра.
Собрал схему идеального источника ЭДС с несколькими нагрузочными
резисторами.
6
Рис.4. Схема идеального источника ЭДС.
Произвёл подсчёт всех характеристик и занёс их в таблицу
Таблица 1
Снятие внешних характеристик
Сопротивление, Ом
Ток источника El, A
Напряжение на Е1, В
Ток источника Е2, А
Напряжение на Е2, В
Ток источника ЕЗ, А
Напряжение на ЕЗ, В
Ток источника Е4, А
Напряжение на Е4, В
0.1
-29.70A
-3.000V
-118.8A
-12.00V
99.01A
10.00V
-49.51A
5.000V
1.0
-2.997A
-3.000V
-11.99A
-12.00V
9.99A
10.00V
4.995A
5.000V
10.0
300.0mA
-3.000V
-1.200A
-12.00V
1.000A
10.00V
499.9mA
5.000V
100
-30.00mA
-3.000V
-120.0mA
-12.00V
100.0mA
10.00V
50.00mA
5.000V
1000
-3.000mA
-3.000V
-12.00A
-12.00V
10.00A
10.00V
5.000mA
5.000V
Зависимые источники питания.
Зависимые источники питания представляются четырехполюсниками и
являются идеальными источниками питания, управляемыми входным сигналом
тока или напряжения. При этом величина выходного напряжения или тока в
7
каждый момент времени определяется мгновенным значением входного
управляющего сигнала и коэффициентом передачи четырехполюсника.
Собрал схему из четырёх источников питания, одного резистора и
генератора:
Рис.5. Схема идеального постоянного источника ЭДС.
Снятие вольтамперных характеристик с помощью осциллографа
Рис.6. Осциллограмма идеального источника ЭДС
В ходе проведения работы, мною было смоделировано две схемы, одна
схема для снятие вольтамперной характеристики а вторая для снятие
8
зависимость выходного напряжения от времени с помощью осциллографа.
После снятия ВАХ наводок не было и помех тоже. Вторая схема
смоделированная для снятие осциллограммы с идеального источника ЭДС, оба
источника взаимодействовали и давались наводки. Напряжение на минимуме не
будет такое отрицательное. В этом случае дополнительный источник
синусоидального
значений
напряжения
напряжение
через
обеспечивает
источник
мне
протекание
идеальной
ЭДС,
различных
а
внешняя
характеристика изображается непосредственно на экране.
Идеальные источники постоянного тока
Снятие вольтамперных характеристик с помощью амперметра и
вольтметра, а так же осциллографа.
Построение идеально источника питания для снятия характеристик с
помощью амперметра и вольтметра:
Рис.7. Схема идеального источника питания
После снятия характеристик, записываю в таблицу
9
Таблица 2 Снятие внешних характеристик
Сопротивление, Ом
Ток источника J1,A
Напряжение на J1,B
Ток источника J2, A
Напряжение на J2, B
Ток источника J3, A
Напряжение на J3, B
Ток источника J4 A
Напряжение на J4 B
0,1
0.1A
1,0
0.1A
10,0
0.1A
100
0.1A
1000
0.1A
10.15mV
10А
95.1mV
10A
1.000V
10A
10.05V
10A
98.91V
10A
1.010V
1A
10.01V
1A
100.0V
1A
1.000kV
1A
9.99V
1A
101.1mV
15A
1.510V
1.001V
15A
15.02V
10.00V
15A
15.V
100.0V
15A
1.500V
956.0V
15А
14.18kV
В ходе проведённой мною работы я смоделировал схему идеального
источника питания из четырёх постоянного тока и пяти резисторов. Подключил
постоянный источник идеального тока к системе из нескольких нагрузочных
резисторов. Замыкая и размыкая перемычки, коммутируя резисторы и измеряя
ток и напряжение, я заполнил таблицу. В ходе снятия и заполнения
характеристик никаких искажений и недочётов не было обнаружено. На каждом
источнике питания токи совпадали с построением самой схемы.
Рис.8. Идеальный источник ЭДС.
10
Построение
идеального
источника
питания
с
помощью
четырёх
источников тока и одного резистора для снятия характеристик с помощью
осциллографа:
Рис.9. Схема идеального источника питания.
Рис.10. Схема идеального источника питания после моделирования
В
ходе
проведённой
ElectronicsWorkbench
осциллографа.
После
схему,
мною
для
проведения
работы
снятия
я
построил
характеристик
моделирования
на
в
программе
с
каждом
помощью
участке
постоянного тока я не получил не одной наводки. На каждом источнике тока и
при моделировании самой схемы из-за подключения ключей на каждый
11
источник для снятия с него характеристик, осциллограф мне выдавал почти все
похожие диаграммы источника.
12
Преобразования двухполюсников
Исследование
последовательного
и
параллельного
соединений
резисторов. Проверка эквивалентной замены двухполюсника. Исследование
делителя напряжения.
Эквивалентное преобразование. Замена является эквивалентной, если при
одинаковых токах через элементы напряжения на их зажимах также будут
равны.
 Эквивалентная
замена
двух
последовательно
включенных
сопротивлений: Re=R1+R2
 Замена
двух
параллельно
включенных
сопротивлений:
RE=R1*R2/(R1+R2).
 Замена двух последовательно включенных источников ЭДС:
E=E1+E2 сумма алгебраическая.
 Замена двух параллельно включенных источников тока: J=J1+J2
сумма алгебраическая.
 Замена неидеального источника тока неидеальным источником
ЭДС: E=J*Rj и RE=Rj
Формула для обратной замены: J=E/Re и Rj=Re
Собираю схему делителя напряжения из параллельно соединенных
резисторов
13
Рис.11. Схема спроектированного делителя напряжения
Рассчитайте эквивалентное сопротивление двухполюсника, состоящего из
двух параллельно соединенных резисторов, относительно зажимов А и В по
формуле R=R1*R2/(R1+R2).
R=12+4=16 Ом, 12*4=48 Ом, 48/16=3 Ом.
И так, на зажиме А; R=12 Ом а на зажиме BR=4 Ом.
В ходе проведённой мною работы я исследовал параллельное соединение
резисторов что представляет собой схему делителя тока из нескольких
резисторов и рассчитал эквивалентное сопротивление двухполюсника.
Амплитудно-фазовые соотношения в простых цепях
Анализ амплитудно-фазовых соотношений для тока и напряжения в
резисторе, конденсаторе и катушке индуктивности при гармоническом
воздействии. Исследование мгновенной, полной, активной и реактивной
мощностей в этих элементах.
Измерить действующее значение токов и напряжений в цепи. Результаты
расчета проверить экспериментально с помощью вольтметров и амперметра. 2)
Измерить активную, реактивную и полную мощность. Подать сигналы,
14
пропорциональные току и напряжению источника питания, на два входа
умножителя,
осциллограмме
подключить
мощности
на
выход
определить
умножителя
активную
и
осциллограф
полную
и
по
мощности.
Подключить на второй вход осциллографа сигналы напряжения источника
питания и напряжения на резисторе (пропорционального току) через
коммутатор.
Моделирую схему RL-цепь на переменном токе:
Рис.12. RL-цепь на переменном токе.
После моделирования:
15
Рис.13. Осциллограмма RL-цепи на переменном токе.
16
2) Моделирую схему RL-цепь на переменном токе для измерения
активной, реактивной и полной мощностей:
Рис.14. Схема RL-цепи.
17
После моделирования:
Рис.15. Осциллограмма RL-цепи.
В ходе проведённой мною работы, я сделал анализ амплитудно-фазовых
соотношений для тока и напряжения в резисторе. Исследовал мгновенной,
полной, активной и реактивной мощностей в этом элементе. Измерил
действующее значение токов и напряжений в цепи. Подал сигналы,
пропорциональные току и напряжению источника питания, на два входа
умножителя,
осциллограмме
подключил
мощности
на
выход
определил
умножителя
активную
и
осциллограф
полную
и
по
мощности.
Подключил на второй вход осциллографа сигналы напряжения источника
питания и напряжения на резисторе (пропорционального току) через
коммутатор.
18
Заключение
В ходе проведённой мною работы, я изучил возможности, основные
компоненты, приборы для проведения измерений и моделирование схем
программы ElectronicsWorkbench, смоделировал схемы и проверил принцип
действия основных электрических компонентов.
19