Лабораторный практикум «Линейные и нелинейные электрические цепи» на стендах УИЛС–1 (стр. 2 )

Имеющиеся в стенде измерительные приборы 15, 17, 30 и 31 (см. рис. 1.1) предназначены только для контроля работы источников. При выполнении экспериментов, по мнению авторов стенда, студенты должны использовать набор многопредельных приборов класса не ниже 1,5, выпускаемых промышленностью, Набор может состоять из различных приборов, однако рекомендуемый минимум включает ампервольтметр постоянного и переменного токов типа Щ43I3, осциллограф типа С1–68, частотомер

типа Ф5043 и измеритель разности фаз типа Ф2-16.

Приборы, требующие питания, подключаются к розеткам, расположенным в углублении на задней стороне пульта.

1.2. Методические возможности стенда

Стенд УИЛС–I – универсальное устройство, позволяющее выполнять традиционные лабораторные работы по изучению электрических цепей, а также учебно–исследовательские работы для студентов младших и старших курсов. Вместе с тем, стенд открывает возможность успешно внедрять новую перспективную форму обучения, предусматривающую объединение лабораторного практикума с расчетно–графическими работами и ориентированную в основном на самостоятельную работу студента под контролем преподавателя.

Поскольку в качестве основных компонентов цепей, исследуемых на стенде, используются недефицитные стандартные элементы, существует возможность постановки широкого класса лабораторных работ, отвечающих требованиям подготовки студентов различных специальностей и отражающих накопленный на данной кафедре опыт по содержанию лабораторного практикума и методике его проведения.

Количество и тематика лабораторных работ, реализуемых на стенде УИЛС–I, практически неограничены. Поэтому перечислим лишь основные циклы лабораторного практикума – это исследования линейных и нелинейных электрических цепей постоянного тока, линейных и нелинейных электрических цепей переменного однофазного тока, трехфазных электрических цепей, линейных электрических цепей периодического негармонического тока, переходных процессов в электрических цепях.

Относительно легкая реализация на стенде сложных электрических цепей и простота контроля правильности их сборки открывают возможность постановки работ с привлечением современных матрично–топологических методов анализа и ЭВМ. При наличии микроЭВМ и соответствующих приборов, сопрягаемых с ней, цифровых измерительных комплексов имеется возможность установки их на стенде для обработки результатов экспериментов и вывода информации на экран дисплея или на печать. Причем достигается это без каких–либо конструктивных переделок стенда и нарушения его эстетического вида.

Осуществимость широкой индивидуализации заданий студентов одной

и той же учебной группы позволяет повысить качество обучения. Практически исключается возможность использования данных, полученных другими студентами.

Методическое объединение лабораторного практикума с расчетно-графическими работами приводит к расчетно–лабораторным заданиям (РЛЗ), представляющим единый комплекс работ расчетного и экспериментального характера, взаимосвязанных между собой и направленных на решение одной общей задачи. РЛЗ подчиняет экспериментальную и расчетную работы общему плану, что способствует повышению осмысленности действий студентов в лаборатории, убеждает в необходимости отдельных этапов, открывает возможность для проявления инициативы и самостоятельности.

В то же время эксперимент, связанный с выполненными расчетами, придает последним конкретность, позволяет оценить полученные результаты и ознакомиться с реальными элементами. Это особенно важно, если учесть, что основной контингент студентов формируется из школьников, не имеющих производственного опыта и знакомых с электротехникой лишь теоретически.

Многолетний опыт кафедры ТОЭ ОПИ по применению ЭВМ в учебном процессе дает основание считать, что РЛЗ еще более расширяют область внедрения ЭВМ в курс ТОЭ, делая использование вычислительной техники более органичным.

Наличие общей задачи, тесная взаимосвязь расчета и эксперимента, возможность оправданного применения ЭВМ, понимание студентом смысла и необходимости выполнения каждого расчета и эксперимента – все это придает РЛ3 черты научно–исследовательской работы, выполняемой современными средствами и являющейся реальным фундаментом для внедрения проблемного метода обучения в изучаемый курс.

Технические возможности стенда позволяют предложить студентам младших курсов темы учебно–исследовательского характера. В качестве УИРС могут быть использованы в измененном виде некоторые лабораторные работы либо РЛЭ. Однако возможна постановка работ и весьма отличных от них, например: исследование простейших усилителей постоянного тока; исследование схем с операционными усилителями; исследование фильтров типа К (либо М); оптимизация переходного процесса в соответствии с заданными условиями (работа может быть дополнена теоретическим исследованием с привлечением ЭВМ); исследование некоторых аварийных режимов в трехфазной цепи; пути повышения cos φ при различном характере приемников.

Тематика, объем и другие показатели УИРС определяются конкретными условиями проведения этого вида учебной работы и могут существенно меняться.

1.3. Особенности работы на стендах УИЛС–1

Применение стендов УИJIС–1 для проведения лабораторных работ либо УИРС не требует каких–либо специальных мероприятий при смене тематики работ.

Наглядность собираемых цепей, отсутствие опасного для жизни напряжения и наличие защит у блоков питания позволяют отказаться от традиционной весьма продолжительной и утомительной работы по проверке правильности сборки студентами схем и последующему допуску бригад к работе. Это придает работе студентов большую самостоятельность.

Преподаватель получает дополнительное время на другие действия, непосредственно связанные с назначением лабораторного практикума. Опыт показывает, что последнее повышает эффективность пребывания студента в лаборатории и позволяет, в частности, перейти при необходимости с 4–часовых на 2–часовые лабораторные занятия при достаточно качественном их содержании.

Существенным изменениям подвергается привычная методика организации лабораторного практикума при использовании стендов для выполнения РЛЗ. Организационно РЛЗ следует строить по принципу чередования экспериментальных и расчетных пунктов, следующих друг за другом и выполняемых студентами в течение периода времени, предусмотренного учебным графиком, который должен быть увязан с расписанием работы в лаборатории. Более подготовленные студенты могут выполнить РЛЗ с опережением графика; возможна работа и по индивидуальному плану.

Отсутствие требований о единообразии содержания экспериментов на данном занятии позволяет студентам при необходимости (например, не совпадают расчетные и опытные данные) повторять прежние опыты.

1.4. Ознакомительное занятие (лабораторная работа № 1)

Основными элементами данного занятия являются инструктаж студентов по правилам техники безопасности и внутреннего распорядка в лаборатории; знакомство со стендами УИЛС–1 и получение первоначальных навыков сборки цепей, измерения токов, напряжений и сопротивлений, изучение правил оформления отчетов по выполненной работе.

При инструктаже по правилам внутреннего распорядка следует учебную группу разбить на бригады по два человека, каждой из которых присваивается порядковый номер, в соответствии с которым за бригадой закрепляются на весь период работы в лаборатории стенд и комплект элементов. Перед началом каждого занятия студент обязан получить набор элементов и проверить его комплектность. Вся работа на стенде должна выполняться сидя, что предусмотрено его конструкцией.

Ознакомление со стендом включает в себя сообщение студентам сведений о его составных частях (пульте, наборном поле, элементах и т. п.) и измерительных приборах. После этого студенты должны измерить сопротивления элементов № 01–09 и полученные значения сравнить с номинальными, указанными на корпусах. В случае большого расхождения (более 10%) выяснить причину.

Затем студенты из названных элементов собирают на наборном поле цепь, топологию которой выбирают самостоятельно. Схема цепи должна быть предварительно вычерчена в соответствии со стандартом. Элементы устанавливаются в гнезда наборного поля так, чтобы их расположение соответствовало изображенному с помощью условных обозначений на схеме. В каждой ветви должна быть предусмотрена хотя бы одна перемычка для обеспечения возможности включения амперметра.

Подключив к цепи источник ИР, установить напряжение порядка 10 V и, используя измерительную аппаратуру, определить токи в ветвях и напряжения между узлами. В случае применения универсального многопредельного амперметра внимание студентов должно быть обращено на правильность выбора режима работы прибора (измерение тока либо напряжения), вида тока или напряжения (постоянный, переменный), предела измерения, от чего зависят точность экспериментальных данных и работоспособность приборов в целом. Правильность измерений токов следует проверить по первому закону Кирхгофа.

Правила оформления отчетов сводятся к следующему. Отчет содержит

титульный лист и такие разделы:

1. Краткое содержание работы.

1.1. Цель работы.

1.2. Основные теоретические положения.

1.3. Краткие сведения об эксперименте.

2. Принципиальная схема исследуемой цепи.

3. Перечень приборов и элементов.

4. Расчетные формулы и вычисления.

5. Результаты исследования (таблицы, графики, числовые значения параметров или режимов).

6. Выводы.

Титульный лист, разделы 1 и 2, формулы раздела 4 и формы таблиц разделов 3 и 5 подготавливаются до начала лабораторной работы.

Отчеты оформляются на листах белой или линованной бумаги формата А4 (210 х 297) mm, которые заполняются с одной стороны. В тексте, написанном четко и аккуратно чернилами (пастой) одного цвета, допускается применение только общепринятых обозначений или сокращений, расшифрованных при первом упоминании.

Математические знаки следует применять лишь в формулах, но не

в тексте. Например, знаки №, Lg, sin, ∑ – только при числовых значениях или буквенных величинах. В тексте без числовых значений их пишут словами.

Применяемые термины должны соответствовать действующим стандартам. Например, следует писать «напряжение», «значение сопротивления», а не «величина напряжения», «величина сопротивления» и т. д.

В соответствии с действующими в ОПИ рекомендациями для обозначения единиц физических величин используются буквы латинского и греческого алфавитов, соответствующие международным стандартам СЭВ.

Обозначение единиц разрешается применять только после числового значения величин, в заголовках таблиц и в пояснениях к буквенным обозначениям формул. Применение обозначений вместо наименований единиц в тексте без числового значения величин не допускается. Например, следует писать «сопротивление равно 7 Ω», но «сопротивление измеряется в омах».

Числа с обозначениями единиц физических величин пишут только цифрами, например «24 V «, но не «двадцать четыре V».

Обозначение единиц числовых значений следует помещать только в строку с ними через пробел; при этом перед обозначениями, поднятыми над строкой, пробел не оставляют. Например, 25 kW; 12 V; 25 %; 45˚ 50'.

При записи результатов расчетов следует использовать кратные и дольные единицы таким образом, чтобы числовые значения величин находились в пределах от 0,1 до 1000. Например,

0,3 mА, но не 0,0003 А;

3 kV, но не 3000 V.

Формулы могут располагаться внутри строки текста (если они не сложны и не имеют объяснений входящих в них обозначений) или на отдельной строке. В конце формул расставляют знаки препинания «,», «;», «.» в соответствии с общими правилами пунктуации. Основные формулы нумеруют.

При выполнении расчетов обозначения единиц физических величин необходимо помещать после подстановки числовых значений в формулу и затем - после промежуточных и конечных результатов вычислений. Например,

I = G U = 0,2 · 24 SV = 4,8 А.

При записи многозначных чисел цифры в них группами по три цифры должны отделяться пробелом справа налево, например 5

При записи многозначной десятичной дроби разделение на группы производится слева направо от запятой, например 2,

В расчетных записях следует применять выражение чисел с множителями 10n, сохраняя перед этим множителем только значащие цифры. Например,

5,1 · 104, но не;

21,3 · 10–3, но не 0,0213.

Нельзя указать число значащих цифр результата, не соответствующее его точности. Необходимо учитывать точность исходных данных и величин, участвующих в вычислениях.

Погрешность результатов вычислений указывается ее предельными значениями за числом, например абсолютная (21,37 ± 0,21) А; 21,37 А ± 0,21 А;

относительная - 220 V ± 5 %.

Если погрешность числового значения не указывается, она считается равной погрешности округления, т. е. для чисел с двумя значащими цифрами – 5 %, с тремя значащими цифрами – 0,5 % и т. д.

Таблицы следует помещать после первого упоминания в тексте. Все таблицы должны иметь номера (арабскими цифрами) и заголовки. Текст в шапке и боковике таблицы целесообразно заменять стандартными или принятыми в работе обозначениями. Обозначения единиц выносят в заголовки боковика, шапки или общий заголовок, отделяя от них величины запятой.

Иллюстрации (схемы, графики и др.) должны выполняться в соответствии со стандартом карандашом с помощью чертежных принадлежностей на белой бумаге; допускается выполнение графиков на миллиметровке.

Иллюстрации помещают сразу после первой ссылки на них на отдельном листе стандартного формата или на одном листе с текстом.

Графики необходимо снабжать координатной сеткой и масштабными шкалами; на координатные оси при этом стрелки не наносят. Размер графиков должен быть не менее (10 х 10) см.

Масштаб измеряемых величин следует брать из ряда 2, 5, 10. В ряде случаев. рационально на одном графике совместить несколько кривых, представляющих функции одного аргумента. Такое построение требует нескольких осей ординат с указанием соответствующих масштабов.

Величина, являющаяся аргументом, указывается над осью абсцисс, а единица этой величины – под осью; функция указывается справа, е ее единица – слева от оси ординат.

На графиках, представляющих собой результаты экспериментов, должны быть показаны условными значками точки – значения единичных измерений. В качестве условных обозначений могут применяться окружности, точки, треугольники и т. п. Проведенные кривые могут и не пересекать условные значки.

На ознакомительном занятии следует обратить внимание студентов на необходимость использования при выполнении последующих лабораторных работ одного из учебников, указанных в разделе «Литература для подготовки».

2. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2

Применение законов Ома и Кирхгофа для анализа электрических цепей

Цель работы – выработать навыки использования законов Ома и Кирхгофа при экспериментальном анализе электрических цепей. В результате выполнения лабораторной работы студенты должны знать основные понятия и законы электрических цепей, уметь составлять уравнения электрического равновесия и энергетического баланса, приобрести навыки экспериментального определения значений токов и напряжений и их действительных направлений, а также построения потенциальных графиков.

Закон Ома для участка электрической цепи устанавливает связь между током, напряжением и параметрами элементов на участке. Измерив ток и напряжение на резисторе, по закону Ома можно определить его параметры – сопротивление или проводимость.

Основой анализа электрических цепей являются уравнения равновесия, составленные по законам Кирхгофа, применение которых при экспериментальном исследовании позволяет убедиться в правильности определения значений и направления токов и напряжений, а также оценить погрешность, вызванную влиянием внутренних сопротивлений измерительных приборов либо нестабильностью параметров элементов цепи. Построение потенциального графика (диаграммы) для одного либо нескольких контуров – важный источник информации о режиме работы цепи (распределение потенциалов, значения потенциалов характерных точек для контроля и т. д.).

В работе используется ИР и ИН постоянного напряжения и элементы цепи № 01–08 (см. табл. 1.1). Индексация сопротивлений резисторов в дальнейшем должна производиться в соответствии с номером элемента цепи, например R01 , R02 и т. д. Токи и напряжения намеряются ампервольтметрами.

Задачи работы – определение по закону Ома сопротивлений резисторов используемых элементов, значений и направлений токов во всех ветвях исследуемой цепи с проверкой правильности полученных результатов по первому закону Кирхгофа; определение значений и направлений напряжений на элементах с проверкой результатов по второму закону Кирхгофа; проверка выполнения в цепи энергетического баланса на основе экспериментальных данных; построение потенциального графика для заданного контура.

Порядок и методика выполнения исследований

1. Собрать цепь согласно рис. 2.1. Подключить схему к ИР (Еир) и установить ток, равный 10 mА.

Рис. 2.1. Схема для определения сопротивлений резисторов

2. Измерив ток в цепи и напряжения на отдельных резисторах и используя закон Ома, определить фактические сопротивления R01 – R08 и проводимости G01 – G08.

З. Согласно варианту задания, выданного преподавателем (рис.2.2 и табл. 2.1), изобразить на бумаге исследуемую схему, используя для индексации вместо номеров резисторов по рис. 2.2 номера элементов цепи. Собрать цепь на наборном поле.

4. Задаться расчетными направлениями токов в ветвях и указать их на схеме. Измерить токи в ветвях.

Определить действительные направления токов, основываясь на технических особенностях применяемых приборов. Так, для прибора типа Щ4ЗIЗ знак «+» перед цифровым результатом означает подключение зажима «*» К точке с меньшим потенциалом.

Схема 1 Схема 2

Схема 3 Схема 4

Схема 5 Схема 6

Схема 7 Схема 8

Схема 9 Схема 0

Результаты измерений занести в табл. 2.2. При этом знак «+» ставится перед символом тока, если расчетное и действительное направления совпадают, и знак «–» – в противном случае.

Таблица 2.1

Варианты задания

Вариант	Элементы схем по рис. 2.2.
R1	R2	R3	R4	R5	R6	R7	R8	E2
Номер элемента наборного поля	V
1	01	03	04	05	06	07	08	02	18
2	03	01	04	05	06	07	08	02	22
3	03	02	04	05	06	07	08	01	20
4	01	04	03	05	06	07	08	02	18
5	02	03	05	04	06	07	08	01	20
6	01	03	04	06	05	07	08	02	22
7	01	03	04	05	07	06	08	02	22
8	08	02	04	05	06	07	01	03	20
9	03	08	04	05	06	07	01	02	22
0	01	02	04	05	06	07	08	03	20

Примечание: В качестве источников Е1 и Е2 во всех вариантах схем применяются соответственно ИР и ИН.