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