Министерство образования и науки Российской Федерации

Северный (Арктический) федеральный университет

Моделирование цифровых

и аналоговых схем в программе

Multisim 11. Электрические цепи

Методические указания

к выполнению лабораторных работ

по электротехнике и основам электроники

Архангельск

2011

Рассмотрены и рекомендован к изданию

методической комиссией Института энергетики и транспорта Северного (Арктического) федерального университета 30 марта 2011 г.

Составитель И.А. Патракова, ст. преподаватель Рецензент И.И. Василишш, доц., канд. техн. наук УДК 621. Моделирование цифровых и аналоговых схем в программе Multisim 11:

метод, указания к выполнению лабораторных работ по электротехнике и основам электроники / сост. И.А. Патракова. - Архангельск: С(А)ФУ, 2011.-67 с.

Приведены теоретические сведения по основным разделам изучае­ мого курса, порядок выполнения лабораторных работ, а также требования к их выполнению, оформлению и защите.

Предназначены для студентов всех специальностей, изучающих дисциплины «Электротехника и основы электроники» и «Теоретические основы электротехники», очной, очно-заочной и заочной форм обучения.

© Северный (Арктический) федеральный университет, 2011 г.

ОБЩИЕ МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

Методические указания содержат сведения по теории линейных и нелинейных электрических цепей, порядок выполнения лаборатор­ ных работ, а также требования к их оформлению и защитам.

Содержание и последовательность изложения материала в ука­ заниях соответствуют программе дисциплин «Электротехника и ос­ новы электроники», «Общая электротехника и электроника», «Теоре­ тические основы электротехники» для технических специальностей вузов.

Цель лабораторного практикума - дать студентам достаточно полное представление об электрических цепях, их составных элемен­ тах, а также математических описаниях, основных методах анализа и расчета этих цепей. При этом студенту предполагается практически продемонстрировать основные законы электротехники; привить на­ чальные навыки экспериментальной работы; дать практическое пред­ ставление о системах единиц измерения и их практическом исполь­ зовании; дать качественное представление о некоторых явлениях электротехники; закрепить навыки статистической обработки данных реальных экспериментов.

Задачей лабораторного практикума является освоение теории физических явлений, положенных в основу создания и функциониро­ вания различных электротехнических устройств, а также в привитии практических навыков использования методов анализа и расчета электрических цепей для решения широкого круга задач.

При изучении дисциплины предполагается, что студент имеет соответствующую математическую подготовку в области дифферен­ циального и интегрального исчислений, комплексных чисел и триго­ нометрических функций, а также знаком с основными понятиями и законами электричества и магнетизма, рассматриваемыми в курсе физики.

Требования к оформлению лабораторной работы Лабораторные работы необходимо выполнять в виде отдельно­ го отчета для каждого студента индивидуально.

На титульном листе отчета помещаются следующие сведения:

наименование работы, номер группы, фамилию и инициалы студента и преподавателя, вариант задания. Бланки к лабораторным работам представлены в приложении 1.

Отчет должен содержать кратко сформулированную цель рабо­ ты, схему, порядок выполнения работы (номера и названия опытов), результаты опытов в табличной форме, формулы, необходимые для расчетов, графики и векторные диаграммы, построенные по резуль­ татам проведения лабораторной работы. Графики и векторные диа­ граммы строят в масштабе на миллиметровке.

Текст, формулы и числовые выкладки должны быть выполнены аккуратно и без помарок.

Буквенные обозначения и единицы физических величин долж­ ны соответствовать ГОСТу.

При расчетах придерживаются определенного порядка: сначала искомую величину выражают формулой, затем подставляют в неё из­ вестные значения величин, записывают результат расчета.

Для успешного выполнения работы студент обязан подгото­ виться к ее выполнению дома, используя описание работы. В практи­ куме для каждой работающей группы каждая работа выполняется в соответствии со своим вариантом в единственном экземпляре. По­ скольку, студентам (особенно в первой половине семестра) часто приходится выполнять работы, теоретические основы которых еще не прочитаны в лекционном курсе, то для более глубокого понима­ ния рекомендуется изучить материал, представленный на соответст­ вующих страницах учебного пособия.

Каждый студент сдает работу в индивидуальной беседе с пре­ подавателем, предъявляя ему письменный отчет, обязательно вклю­ чающий в себя основы теории, схему эксперимента, таблицы и гра­ фики исходных данных, а при необходимости - результаты статисти­ ческой обработки. Все параметры и данные измерений должны быть приведены с указанием их размерностей. Форма защиты лаборатор­ ных работ определяется преподавателем.

КРАТКОЕ РУКОВОДСТВО К ПРОГРАММЕ MULTISIM

Приступая к выполнению лабораторной работы необходимо за­ пустить программу Multisim.

После запуска появится рабочее поле экрана (рис. 1). На рабо­ чем поле экрана производят сборку электрической схемы цепи.

Электрические элементы схемы буксируются на рабочее поле экрана из панели, расположенной в верхней части поля экрана.

Электротехнические элементы сгруппированы по функцио­ нальному назначению и расположены в верхней и боковой панелях элементов (рис. 1): Источники питания; основные элементы; полу­ проводниковые диоды; полупроводниковые транзисторы; аналоговые интегральные схемы; смешанные интегральные схемы; цифровые ин­ тегральные схемы; логические элементы; триггеры и прочие дис­ кретные устройства; индикаторы; контрольные приборы; прочие уст­ ройства; инструменты.

§ Design! - Mulbsim - [Uesignlf^ При составлении уравнений для расчета в соответствии с ука­ занными законами необходимо учитывать, каким способом соедине­ ны элементы рассматриваемой электрической цепи.

При последовательном соединении по всем элементам электри­ ческой цепи протекает один и тот же ток (рис. 1.4).

Параллельным соединением элементов (ветвей) цепи называет­ ся такое, при котором все эти элементы находятся под одним и тем же напряжением (рис. 1.5).

При смешанном соединении потребителей электрической энергии, одна часть потребителей соединена параллельно, а другая - последова­ тельно.

Методические указания по выполнению работы 1. Собрать на рабочем поле экрана электрическую цепь посто­ янного тока (рис. 1.6) при разомкнутом ключе.

2. Задать параметры элементов цепи согласно варианту (табл. 1.1).

варианта Е,В Ri, Ом /?, Ом R?,, Ом /?, Ом 3. Записать в таблицу 1.2 показания приборов.

4. Рассчитать значения токов в ветвях схемы и напряжения на участках цепи и записать их значения в таблицу 1.2. Расчетные зна­ чения должны совпасть с показаниями приборов.

Расчет цепи выполнить, используя закон Ома:

4.1 Определить эквивалентное сопротивление цепи:

4.2 Определить ток в неразветвленной части цепи /:

4.3 Определить напряжения U и U. Напряжения U \ и U равны, так как элементы R[HR включены параллельно.

U = 0, так как в ветви с сопротивлением R обрыв.

4.5 Определить токи в ветвях схемы:

4.6 Проверить выполнение законов Кирхгофа:

4.7 Записать уравнение баланса мощностей.

Записать в таблицу 2 показания приборов.

6. Рассчитать значения токов в ветвях схемы и напряжения на участках цепи и записать их значения в таблицу 2 при замкнутом ключе. Расчетные значения должны совпасть с показаниями прибо­ ров.

Расчет цепи выполнить, используя закон Ома:

6.1 Определить эквивалентное сопротивление цепи:

6.2 Определить ток в неразветвленной части цепи /:

равны, так как элементы R[HR включены параллельно.

равны, так как элементы R и R включены параллельно.

6.5 Определить токи в ветвях схемы:

6.6 Проверить выполнение законов Кирхгофа:

6.7 Записать уравнение баланса мощностей.

7. Заменить источник ЭДС на схеме источником тока (рис. 1.7).

Снять показания приборов при разомкнутом и замкнутом клю­ че. Занести данные в таблицу 1.3. Рассчитать схему при разомкнутом и замкнутом ключе, используя закон Ома. Проверить выполнение за­ конов Кирхгофа. Записать уравнение баланса мощностей.

1. Написать формулы для расчета сопротивления цепи постоян­ ного тока при последовательном и параллельном соединении сопро­ тивлений.

2. Сформулировать закон Ома для участка цепи и для замкнуто­ го контура.

3. Сформулировать первый и второй законы Кирхгофа, объяс­ нить правила знаков.

4. Дать определение источника ЭДС и источника тока.

5. Дать определение мощности электрической цепи. Сформули­ ровать уравнение баланса мощностей.

Исследование нелинейной электрической цепи постоянного тока Цель работы: применение законов Ома и Кирхгофа для расчета разветвленных электрических цепей постоянного тока, снятие вольтамперных характеристик для нелинейных элементов цени, использо­ вание графического метода расчета нелинейных электрических цепей постоянного тока.

В отличие от линейных электрических цепей, при расчете нели­ нейных цепей, параметры которых зависят от тока и напряжения и имеют криволинейные характеристики, удобно пользоваться графи­ ческим методом с использованием экспериментальных вольтамперных характеристик элементов цепи, т.е. зависимостей тока в цепи от напряжения на элементах цепи I=f(U).

На рис.2.1 представлена схема последовательного, а на рис. 2. - параллельного соединений линейного элемента - резистора R и не­ линейного элемента - полупроводникового диода Д, вольт-амперные характеристики которых приведены на рис. 2.3 и 2.4.

Так как при последовательном соединении элементов ток обоих участков цепи одинаков, а подведенное напряжение и = U + и опре­ R д деление зависимости тока на входе от значения приложенного на­ пряжения производят суммированием абсцисс заданных кривых (на­ пряжений) при заданном значении тока / (рис. 2.3).

При параллельном соединении элементов цепи указанную зави­ при заданном значении напряжения U (рис. 2.4).

Аналогично находят остальные координаты результирующих вольт-амперных характеристик цепи путем изменения значений / и Методические указания по выполнению работы 1. Собрать схему электрической цепи - последовательное соеди­ нение линейного элемента - резистора и нелинейного - диода (рис. 2.5.).

Задать величину сопротивление резистора 10 Ом.

Изменяя значения напряжения источника в заданном диапазоне, снять показания приборов, записать их в таблицу 2.1. Отобразить за­ висимость тока цепи от величины напряжения на резисторе, величи­ ны напряжения на диоде и величины напряжения источника ЭДС.

2. Собрать схему электрической цепи - параллельное соедине­ ние линейного элемента - резистора и нелинейного - диода (рис. 2.6).

Сопротивление резистора - 10 Ом.

Изменяя значения напряжения источника в заданном диапазоне, снять показания приборов, записать их в таблицу 2.2. Отобразить за­ висимости тока на резисторе, тока на диоде и тока в неразветвленной части цепи от величины напряжения источника ЭДС.

1. Дайте определения линейных и нелинейных элементов элек­ трической цепи.

2. Какие цепи считают линейными, а какие - нелинейными?

3. Приведите пример линейного элемента и его вольт-амперную характеристику.

4. Приведите пример нелинейного элемента и его вольтамперную характеристику.

5. Выполняются ли законы Ома и Кирхгофа для нелинейных цепей?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №

Последовательное соединение резистора, катушки и конденсатора в цепи переменного тока Цель работы: опытным путем проверить основные законы для цепи переменного тока с последовательным соединением приемни­ ков электрической энергии: резистора, катушки индуктивности и конденсатора.

Если на вход электрической цепи с последовательно соединен­ ными активным сопротивлением R, индуктивностью L и емкостью С (рис. 3.1) подается подать переменное синусоидальное напряжение и = U sin{cot + у/„) = ^2 U sin{cot + щ ), комплексное значение которого то по цепи будет протекать ток комплексное значение которого Согласно второму закону Кирхгофа в комплексной форме запи­ си напряжение, подводимое к этой электрической цепи, может быть записано Причем X =coL и Х =1/соС - индуктивное и емкостное сопро­ тивления; co=2itf- угловая ч а с т о т а ; / - частота напряжения.

Если комплексы напряжений активного, индуктивного и емко­ стного участков цепи заменить произведениями комплексов тока и сопротивления, то уравнение для подводимого к электрической цепи комплексного напряжения преобразуется к виду или к виду уравнения, записанного в комплексной форме по закону Ома для всей цепи:

где Z = R + j(X +Х )- полное комплексное сопротивление электрической цепи пере­ менного тока.

Модуль полного комплексного сопротивления цепи переменно­ го тока а аргумент есть угол между векторами напряжения и тока, определяемый как разность начальных фаз соответственно С учетом того, что на резисторе R напряжение совпадает по фа­ зе с током (cp =о), на индуктивности L напряжение опережает ток на