Исследование электрической цепи постоянного тока с одним источником электрической энергии - Лабораторная работа

Содержание

Исследование электрической цепи постоянного тока с одним источником электрической энергии

Введение (выдержка)

Цель работы:

Исследование вольтамперных характеристик элементов электрической цепи - источника ЭДС и приемников (линейных и нелинейных).

Использование метода эквивалентных преобразований для расчета цепей с одним источником энергии.

Краткая теория:

Совокупность устройств для получения, передачи, распределения и потребления электрической энергии называется электрической цепью. Основными элементами электрической цепи являются источники и приемники электрической энергии.

Электрическая цепь является линейной, если ее элементы имеют параметры ( и ), независящие от тока и напряжения. Если хотя бы один элемент имеет параметры, зависящие от тока или напряжения, то цепь является нелинейной. К нелинейным элементам относятся лампы накаливания, диоды, стабилитроны, термо- и тензорезисторы и т.д.

Элементы электрических цепей принято характеризовать с помощью

вольтамперных характеристик, представляющих зависимость тока, протекающего через элемент, от величины приложенного к нему напряжения - .

Основная часть (выдержка)

В соответствии с законом Ома в замкнутой электрической цепи, состоящей из источника ЭДС и нагрузки (рисунок 1.1), ток определяется по формуле

где - ЭДС источника электрической энергии, (В);

Ro - внутреннее сопротивление источника, (Ом);

RН - сопротивление нагрузки, (Ом).

Падение напряжения на нагрузке , представляющее собой напряжение на внешних зажимах источника, будет иметь вид прямой (рисунок 1.2) , это выражение описывает внешнюю характеристику источника ЭДС.

Внешняя характеристика отражает неидеальный характер существующих источников питания и строится по двум точкам - точке холостого хода и точке короткого замыкания . Режим короткого замыкания, как правило, опасен для источника, поэтому практически внешнюю характеристику строят по точкам холостого хода и любого (произвольного) режима нагрузки. Внутреннее сопротивление источника вычисляют аналитически из уравнения характеристики.

2.2 Параметры приемников

На рисунке 1.3. представлена схема последовательного соединения (неразветвленная) линейного элемента - резистора и нелинейного элемента - лампы накаливания , вольтамперные характеристики которых приведены на рисунке 1.4.

На рисунках 1.5 и 1.6 ,соответственно, представлены схема параллельного соединения (разветвленная) и вольтамперные характеристики этих же элементов.

В отличие от линейных электрических цепей при расчете нелинейных удобно пользоваться графическим методом с использованием экспериментальных вольтамперных характеристик элементов цепи.

При последовательном соединении элементов цепи определение зависимости тока на выходе от значения приложенного напряжения производится, как показано на рисунке 1.3 , суммированием напряжений при заданном значении тока , поскольку при последовательном соединении элементов общим является ток, а входное напряжение, согласно второму закону Кирхгофа, распределяется между отдельными элементами.

При параллельном соединении элементов цепи указанную зависимость находят суммированием соответствующих токов при заданном значении (рисунок 1.4), поскольку при параллельном соединении элементов в рассматриваемой цепи общим является напряжение, а входной ток, согласно первому закону Кирхгофа, распределяется между отдельными ветвями.

Аналогично находят остальные координаты результирующих вольтамперных характеристик соответствующих цепей путем определения значений и .

2.3 Методы расчета электрических цепей с одним источником электрической энергии

Основной задачей расчета электрических цепей является определение токов, напряжений, мощностей в ветвях электрической цепи по заданным величинам сопротивлений ветвей и значений ЭДС. Такая задача носит название задачи анализа электрических цепей и имеет однозначное решение.

Для участка цепи, не содержащего источник энергии (рисунок 1.7), связь между током и напряжением определяется законом Ома .

Заключение (выдержка)

Для участка цепи, содержащего источник энергии (например, рисунок 1.8), закон Ома запишется в виде выражения .

Неразветвленная электрическая цепь характеризуется тем, что на всех ее

участках протекает один и тот же ток, а разветвленная - содержит одну или несколько узловых точек, при этом на отдельных участках цепи протекают разные токи.

Расчет цепей с одним источником электрической энергии можно проводить с помощью метода эквивалентных преобразований.

Электрическая цепь с последовательным соединением сопротивлений

заменяется при этом цепью с одним эквивалентным сопротивлением

. Напряжения (падения напряжения) на сопротивлениях распределяются пропорционально этим сопротивлениям .

Электрическую цепь с параллельным соединением сопротивлений заменяют цепью с эквивалентным сопротивлением , которое определяется из выражения .

В частном случае параллельного соединения двух сопротивлений эквивалентное сопротивление будет равно , а токи распределяются обратно пропорционально их сопротивлениям, при этом .

Эквивалентное сопротивление участка цепи, состоящего из одинаковых

параллельно соединенных сопротивлений определяется как .

В некоторых случаях оказывается целесообразным преобразование сопротивлений, соединенных треугольником, эквивалентной звездой (рисунок 1.9). При этом сопротивления лучей эквивалентной звезды определяются по формулам

В частном случае равенства сопротивлений треугольника .