Úloha 1 - THEVENINŮV PRINCIP

Transkript

1 Úloha 1 - THEVENINŮV PRINCIP CÍLE Po ukončení tohoto laboratorního cvičení byste měli být schopni : Určit U (THEVENINA) z měření, provedených voltmetrem. Určit R (THEVENINA) z měření, provedených ohmmetrem. Připojit Theveninův náhradní obvod. Přezkoušet původní obvod a Theveninův, zda dodávají stejný proud a napětí při různých zatíženích. ZAŘÍZENÍ 1 Multimetr (analogový nebo digitální) 1 Miliampérmetr 1 Základní jednotka PU Hlavní panel 1 Deska plošného spoje EB DISKUSE Theveninův princip se používá pro převedení jakéhokoliv obvodu se dvěma vývody na náhradní obvod, sestávající ze zdroje napětí v sérii s odporem. Nejdříve vypočítejte výstupní napětí otevřeného obvodu. To je hodnota U (THEVENINA). Potom, se zkratovaným zdrojem napětí a bez zatížení na výstupu, vypočítejte hodnotu odporu mezi výstupy. To je R (THEVENINA). POSTUP 1. Umístěte desku plošného spoje EB-102 do vedení desky a připojte konektor jednotky PU Zapněte hlavní panel. Jsou-li dostupná napětí proměnná, nastavte ± 12V. 3. Provedete iniciační postup, popsaný v části všeobecné informace. 4. Vyhledejte obvod na Obr.1(a). Připojte šňůru mezi R 1 a +12V.

2 Obr.1(a):Původní obvod. Obr.1(b):Theveninův náhradní obvod 5. Překontrolujte obvod 6. Změřte výstupní napětí otevřeného obvodu a zaznamenejte ho. To je hodnota U (THEVENINA). U (THEVENINA) = 7. Nastavte napájení na PS-1 v Obr.l(b) na U (THEVENINA). 8. Pro měření R (THEVENINA) má být umístěn zkrat místo napájení 12V. Odpojte R X od napájení +12V a uzemněte levý vývod R 1. Připojte multimetr na výstupy obvodu, změřte výstupní odpor a zaznamenejte ho. To je R (THEVENINA). R (THEVENINA) = 9. Odstraňte zkrat z R 1 na zem. 10.Připojte ohmmetr na RV 1 + R 6, potom nastavte RV 1, aby hodnota odporu byla rovna R (THEVENINA). 11.Nyní jste nastavili napájení PS-1 a RV 1 + R 6 jako Theveninův ekvivalent obvodu, sestaveného ze zdroje 12V, R 1, R 2 a R 3. Pro ověření, že původní a Theveninův náhradní obvod jsou totožné, zatěžujte původní obvod rezistorem R 4, potom R 5 a nakonec spojením nakrátko. Při každé zátěži měřte U OUT a I OUT a zaznamenejte je do tabulky na Obr.2. ZÁTĚŽ U OUT I OUT R 4 R 5 Zkrat Obr. 2: Původní obvod

3 12. Opakujte tyto testy pro Theveninův náhradní obvod a zaznamenejte výsledky do Obr.3. ZÁTĚŽ U OUT I OUT R 4 R 5 Zkrat Obr.3: Theveninův náhradní obvod OTÁZKY: Dokázal tento experiment, že obvod navržený na Obr.1(b) je rovnocenný obvodu, uvedenému na Obr.1(a)? Vyjmenujte rozdíly. Vypočítejte Theveninův náhradní obvod. Jsou výsledky stejné jako naměřené?

4 Úloha 2 - POTENCIOMETR CÍLE Po ukončení tohoto laboratorního cvičení byste měli být schopni : Zapojit potenciometr jako dělič napětí. Změřit výstupní napětí bez a se zatížením potenciometru, zapojeného jako dělič napětí. Vynést graf, udávající závislost mezi otáčením jezdce potenciometru a výstupním napětím. ZAŘÍZENÍ 1 Multimetr (analogový nebo digitální) 1 Základní jednotka PU Hlavní panel 1 Deska plošného spoje EB-102 DISKUSE Potenciometr je vyroben podle náčrtku. Pohyb jezdce mění bod připojení ke středu odporu, což způsobuje změnu hodnot dvou odporů, i když vždy mají stejný celkový odpor. Toto zapojení tvoří dělič napětí s konstantním celkovým odporem a výstupní odpor se mění podle postavení jezdce potenciometru. Výstupní napětí se proporcionálně mění podle postavení jezdce. Jeli celkový odpor R a odpor části, na které je výstup měřen je n x R, potom výstupní napětí je dáno vztahem: U out = n x U in

5 POSTUP 1. Umístěte desku plošného spoje EB-102 do vedení desky a připojte konektor jednotky PU Zapněte hlavní panel. Jsou-li dostupná napětí proměnná, nastavte ± 12V. 3. Provedete iniciační postup, popsaný v části všeobecné informace. 4. Změřte a zaznamenejte celkový odpor potenciómetru. R (celk.) =.. 5. Nastavte potenciometr na 20% celkové hodnoty otáčením doprava a měřte odpor mezi jezdcem a zemí. 6. Připojte napájení PS-1 na potenciometr dle Obr.1 a potom nastavte PS-1 na 6V. Obr. 1: Obvod děliče napětí 7. Změřte a zaznamenejte výstupní napětí mezi jezdcem a zemí. Výsledky zapište do Obr Odpojte PS-1 od obvodu. 9. Opakujte tento postup pro 40%, 60%, 80% a 100% otáčení. Při každém použití OTÁČENÍ 20% 40% 60% 80% 100% ohmmetru pro měření odporu musí být napájení odpojeno. ODPOR % Z CELKOVÉHO R Obr. 2 U out bez zátěže U out zátěž R 17 U out zátěž R Připojte R 17 na jezdec p 1 a opakujte měření napětí. Výsledky zaznamenejte do Obr.2.

6 Obr. 3: Obvod děliče napětí 11. Nahraďte R 17 v obvodu za R 18 a opakujte měření napětí, výsledky zaznamenejte do Obr Vyneste graf změřeného U out (svisle) v závislosti na otáčení jezdcem (vodorovně) pro všechny tři obvody do Obr.4. OTÁZKY Co nám demonstruje graf na Obr.4 za stavu bez zatížení? Vysvětlete rozdíly v křivkách za zatíženého stavu potenciometru. Potenciometr se často používá k ovládání hlasitosti v rozhlasovém přijímači. Vysvětlete jeho činnost.

7 Úloha 3 - MILLMANŮV PRINCIP CÍLE Po ukončení tohoto laboratorního cvičení byste měli být schopni: Vypočítat výstupní napětí na elektrické zátěži způsobené více zdroji napětí podle Millmanova principu. Ověřit Millmanův princip měřením v obvodu. ZAŘÍZENÍ 1 Multimetr (analogový nebo digitální) 1 Základní jednotka PU Hlavní panel 1 Deska plošného spoje EB-102 DISKUSE Někdy je paralelně připojeno více zdrojů napětí, které napájí jednu zátěž. Protože tyto zdroje napětí mají rozdílné vnitřní odpory, dá se očekávat, že proud dodávaný zátěži je různý. Millmanovo pravidlo poskytuje způsob určení výstupního napětí na zátěži. Výstupní napětí je dáno vzorcem: POSTUP 1. Umístěte desku plošného spoje EB-102 do vedení desky a připojte konektor jednotky PU Zapněte hlavní panel. 3. Jsou-li dostupná napětí proměnná, nastavte ± 12V. 4. Připojte obvod na Obr.1. Nastavte PS-1 na 6V a PS-2 na -4V. Obr. 1

8 5. Změřte a zaznamenejte výstupní napětí na R 15 a výstupní proud přes R15. Vyměňte zkratovací propojovací drát v sérii s R15 za miliampérmetr při měření I out. U out =.. I out =.. 6. Použitím vzorce vypočítejte hodnoty U out a I out v obvodu. U out =.. I out =.. Nápověda: pro výpočet I out se podívejte na vztah mezi U out, I out a R 15. OTÁZKY: Dokazuje tento experiment platnost Millmanova principu?

9 Úloha 4 - PRINCIP SUPERPOZICE CÍLE Po ukončení tohoto laboratorního cvičení byste měli být schopni : Změřit proud a napětí zátěže v obvodu, který obsahuje dva zdroje napětí. Ověřit princip superpozice z měřených napětí a proudů. ZAŘÍZENÍ 1 Multimetr (analogový nebo digitální) 1 Základní jednotka PU Hlavní panel 1 Deska plošného spoje EB-102 DISKUSE Často je nutno analyzovat obvody, které obsahují více zdrojů napětí. Při použití principu superpozice je obvod analyzován pouze s jedním zdrojem, s ostatními zdroji napětí zkratovanými. Chceme-li znát napětí v kterékoliv části obvodu, nebo proud v kterékoliv větvi, vypočítáme požadované napětí nebo proud pro každý zdroj napětí jednotlivě, a potom je algebraicky sečteme pro nalezení žádaného napětí nebo proudu. POSTUP 1. Umístěte desku plošného spoje EB-102 do vedení desky a připojte konektor jednotky PU Zapněte hlavní panel. 3. Jsou-li dostupná napětí proměnná, nastavte ± 12V. 4. Připojte obvod na Obr.1. Obr.1

10 5. Nastavte PS-1 na 4,5V. Všimněte si, že zdroj napětí PS-2 je nyní zkratován. 6. Změřte U out a I out s PS-2 zkratovaným a zaznamenejte hodnoty do Obr. 2. Vyměňte zkratovací propojku v sérii s R15 za miliampérmetr při měření I out ZDROJ NAPĚTÍ U out I out Jen PS-1 Jen PS-2 CELKEM Obr.2: Napětí a proudy v obvodu superpozice. 7. Zkratujte vývody PS-1 podle Obr.3. Nastavte PS-2 na -7,5V. 8. Zaznamenejte odečtené údaje pro U out a I out pouze od PS-2 do Obr Odpojte zkratovací propojení na PS-1 a nastavte 4,5V. Změřte a zaznamenejte U out a I out U out =.. I out =.. Obr.3 OTÁZKY: Jaké závěry odvozujete z tohoto experimentu?

11 Úloha 5 - ZDROJ NAPĚTÍ CÍLE Po ukončení tohoto laboratorního cvičení byste měli být schopni : Určit z měření vnitřní odpory zdrojů napětí. Určit regulaci napětí u zdroje napětí. Porovnat zdroje napětí a určit nejlepší kvalitu vyhodnocením regulace napětí. ZAŘÍZENÍ 1 Multimetr (analogový nebo digitální) 1 Základní jednotka PU Hlavní panel 1 Deska plošného spoje EB-102 DISKUSE Napěťový zdroj, například napájecí zdroj nebo baterie, se mohou jevit jako ideální 2 zdroje napětí při zapojení v sérii s malým odporem. V tomto experimentu budete měřit zatěžovací charakteristiku a vypočítáte vnitřní odpor a napětí zdroje napětí. POSTUP 1. Umístěte desku plošného spoje EB-102 do vedení desky a připojte konektor jednotky PU Zapněte hlavní panel. 3. Jsou-li dostupná napětí proměnná, nastavte ± 12V. 4. Připojte jezdec potenciometru ke spodnímu konci podle Obr. 1(a), aby tvořil proměnný odpor. Zapojte obvod na Obr. 1(a). Potenciometr je zapojen jako reostat a jeho sériové spojení s R 16 slouží jako proměnná zátěž pro zdroj napětí. Obr Nastavte PS-1 na 5V.

12 6. Změřte a zaznamenejte do Obr.2 (pro zatížení R 16 + P 1 ) napětí a proud v obvodu při různých polohách nastavení zatěžovacího potenciometru. Pro každou polohu vypočítejte odpor zátěže podle Ohmova zákona. Vyměňte zkratovací propojku v sérii s R 16 za miliampérmetr při měření I out. OTÁČENÍ 0% 20% 40% 60% 80% 100% I out U out Odpor zátěže P 1 + R 16 P l + R 16 P l P l + R 16 P l Obr.2: Zdroj napětí zatížený různými zátěžemi. 7. Zapojte obvod na Obr.1(b). Potenciometr slouží jako proměnná zátěž zdroje. R 16 v sérii s vnitřním odporem zdroje PS-1 reprezentuje Theveninův ekvivalent odporu zdroje. 8. Opakujte krok 6 pro zatížení P 1 a zaznamenejte svoje výsledky do Obr.2. Obr Nakreslete graf do Obr.3 s výstupním napětím na svislou osu a proudem zátěže na vodorovnou osu pro zátěž (P 1 + R 16 ) a zátěž P 1 OTÁZKY: Použitím grafů zjistěte, o kolik se výstupní napětí sníží při zvýšení proudu z minimální na maximální hodnotu. Vypočítejte R pro oba případy zapojení obvodu:

13 R out SníženíU ZvýšeníI out out Vypočítejte regulaci výstupního napětí u obou konfigurací obvodu. Re g. U ( U = out. pro. min. proud U ) - ( U out. pro.min. proud out. pro. max. proud ) *100 Je regulace zjištěná v ˇposledním bodu dobrá nebo špatná pro typické napájení? Srovnejte konfigurace obou obvodů a podejte vysvětlení.

14 Úloha 6 - PRINCIP PŘENOSU MAXIMÁLNÍHO VÝKONU CÍLE Po ukončení tohoto laboratorního cvičení byste měli být schopni : Určit výkon z naměřených hodnot proudu a napětí. Vynést graf výstupního napětí, proudu a výkonu na svislou osu a odporu na vodorovnou osu. Určit vztah odporů, které vytvoří maximální výkon, z měření a grafů. ZAŘÍZENÍ 1 Multimetr (analogový nebo digitální) 1 Základní jednotka PU Hlavní panel 1 Deska plošného spoje EB-102 DISKUSE U odporových obvodů je maximální výkon přenášen do zatěžovacího odporu, je-li odpor zátěže roven odporu Theveninova zdroje nebo vnitřnímu odporu zdroje napětí. V tom případě se rovná ztráta výkonu ve zdroji ztrátě výkonu na zátěži. POSTUP 1. Umístěte desku plošného spoje EB-102 do vedení desky a připojte konektor jednotky PU Zapněte hlavní panel. 3. Jsou-li dostupná napětí proměnná, nastavte ± 12V. 4. Zapojte obvod na Obr.1. Nastavte PS-1 na 5V. 5. Potenciometr zapojený jako reostat slouží jako proměnná zátěž pro zdroj napětí. Spojení R 16 v sérii s vnitřním odporem PS-1 (jak bylo měřeno v úloze 5) představuje Theveninův ekvivalent odporu zdroje.

15 Obr Změřte napětí a proudy zatěžovacího potenciometru pro řadu hodnot, vytvořených otáčením potenciometru jak je uvedeno na Obr. 2. Vyměňte zkratovací propojku v sérii s R 16 za miliampérmetr při měření I out 7. Pro každé nastavení potenciometru vypočítejte zatěžovací odpor a výstupní výkon a výsledky zaznamenejte do Obr.2. OTÁČENÍ U out I out R zátěže P out 0% 20% 40% 60% 80% 100% Obr.2: Měření přenosu výkonu. 8. Do grafu na Obr.3 s odporem na vodorovné ose vyneste Uout, Iout a výstupní výkon P out.

16 OTÁZKY: Co se stane s výstupním napětím při snížení odporu? Jaký je vliv změny odporu na výstupní proud? Jak se změní výstupní výkon při změně odporu? Při jaké hodnotě zatěžovacího odporu je na zátěž přenášen maximální výkon? Jaká je tato hodnota ve srovnání s vnitřním odporem zdroje napětí? Kolik výkonu se ztratí na vnitřním odporu, jeli zatěžovací odpor nastaven pro získání maximálního výstupního výkonu?

17 Úloha 7 - PŘEVODY HVĚZDA-TROJÚHELNÍK, TROJÚHELNÍK-HVĚZDA CÍLE Po ukončení tohoto laboratorního cvičení byste měli být schopni : Použitím barevného kódu značení rezistorů převést zapojení do hvězdy na zapojení do trojúhelníku. Použitím různých hodnot odporů převést zapojení do trojúhelníku na zapojení do hvězdy. Měřit odpor náhradních zapojení do trojúhelníku a do hvězdy. ZAŘÍZENÍ 1 Multimetr (analogový nebo digitální) 1 Základní jednotka PU Hlavní panel 1 Deska plošného spoje EB-102 DISKUSE Dva obvody, se kterými se běžně setkáváme, jsou zapojení tří odporů "Trojúhelník" a "Hvězda". Tato zapojení jsou na Obr.1. Často je vhodné pro analýzu obvodu převést jedno z těchto dvou zapojení na náhradní ve formě druhého. TROJÚHELNÍK HVĚZDA Obr. 1 Pro převod odporů trojúhelníku Ra, Rb a Rc na odpory hvězdy R1, R2 a R3 použijte následujících vztahů:

18 Pro převod z hvězdy na trojúhelník použijte následujících vztahů: POSTUP 1. Umístěte desku plošného spoje EB-102 do vedení desky a připojte konektor jednotky PU Zapněte hlavní panel. 3. Jsou-li dostupná napětí proměnná, nastavte ± 12V. 4. Podle barevného značení rozlište a zaznamenejte hodnoty R 7, R 8 a R 9. Potom změřte tři vstupní odpory v obvodu (A-B, A-C a B-C) R 7 =..R 8 = R 9 =. R (A-B) = R (A-C) = R (B-C) =.

19 5. Nyní změřte a zaznamenejte odpory R 10, R 11 a R 12 a odpor mezi výstupy v jejich obvodech R 10 =..R 11 = R 12 =.. R (A -B ) =..R (A -C ) =..R (B -C ) = OTÁZKY: Použitím rovnic převodu trojúhelník na hvězdu převeďte R 7, R 8 a R 9 na náhradní zapojení do hvězdy. Použitím rovnic převodu hvězda na trojúhelník převeďte R 10, R 11 a R 12 na náhradní zapojení do trojúhelníku. Srovnejte výsledky výpočtů s experimentálně získaným měřením odporů mezi výstupy u každého obvodu.