Методическая разработка Руководство к лабораторной работе на тему «Исследование электрической цепи постоянного тока при последовательном соединении потребителей» по дисциплине «Электротехника» для специальности 220417 Автоматические системы управления

ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ ГОРОДА МОСКВЫ

Государственное бюджетное профессиональное образовательное учреждение города Москвы

Колледж автоматизации и информационных технологий № 20

Методическая разработка

Руководство к лабораторной работе на тему

«Исследование электрической цепи постоянного тока при последовательном соединении потребителей»

по дисциплине «Электротехника»

для специальности 220417 Автоматические системы управления

Автор                                                 

Москва
2014

  Настоящее руководство разработано в соответствии с Федеральным Государственным Образовательным Стандартом (ФГОС) по дисциплине «Электротехника» для специальности 220417 Автоматические системы управления. Для обучающихся и преподавателей, образовательных учреждений системы среднего специального образования.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ………………………………………………..………………..….4

Часть 1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ………….…………………….…..  5

       Введение…………...……………………………………………….…….5

Законы электрических цепей постоянного тока……………………….5

Знакомство с системой Electronics Workbench.……………………….7

Алгоритм подготовки и запуска электрических схем………………...8

Часть 2. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ …………………………………. …10

Используемое оборудование  …………………………….......................10

Задание на выполнение работы…………………………………………10

Порядок выполнения работы ……………………………………………10

Часть 3. КОНТРОЛЬНО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ МАТЕРИАЛ……..…..13

Тестовые задания…………………………………………………..….…13

       Критерии оценки тестовых заданий………..….………………………...13

       Контрольные вопросы ………………………….………………….….....22

Оценка результативности выполнения лабораторной работы………22

ЗАКЛЮЧЕНИЕ…………………………….……………………………..…..24

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ…………………………………………………..25

ВВЕДЕНИЕ

Методическая разработка к лабораторной работе по учебной дисциплине «Электротехника» предназначена для обучающихся по специальности 220417 «Автоматические системы управления»  среднего профессионального образования.

Учебная дисциплина «Электротехника» является общепрофессиональной, дающей базовый уровень знаний для освоения  смежных общепрофессиональных и специальных дисциплин.

В результате изучения учебной дисциплины обучающийся должен:

уметь:

рассчитывать параметры и элементы электрических и электронных устройств; собирать электрические схемы и проверять их работу; измерять параметры электрической цепи;

знать:

физические процессы в электрических цепях; методы расчета электрических цепей; методы преобразования электрической энергии

Методическая разработка включает в себя теоретический, практический и контрольно-измерительный материалы. Теоретическая часть включает основные сведения по теме «Законы электрических цепей постоянного тока», общие сведения по работе с программой моделирования Electronics  Workbench  (EWB), алгоритм подготовки и запуска электрических схем. Практическая часть состоит из трёх разделов: используемое оборудование, задание на выполнение работы и порядок выполнения работы. Контрольно-измерительный материал содержит тест на тему «Цепи постоянного тока» и контрольные вопросы.

Данная разработка может найти широкие применение на практических занятиях по дисциплине «Электротехника», при самостоятельном изучении дисциплины, при подготовке к зачету и контрольной работе.

Часть 1 ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Ведение

Цель работы – изучение основных свойств и законов линейных электрических цепей постоянного тока, экспериментальное определение параметров элементов исследуемой цепи. Исследование влияния параметров элементов цепи на энергетические характеристики при различных режимах работы. Изучение программы моделирования  Electronics  Workbench  (EWB).

Законы электрических цепей постоянного тока.

Основные теоретические сведения

Функционирование любого электрического устройства сопровождается непрерывным изменением энергии источников электропитателя и потребителя (приемников). Этот процесс характеризуется определенными значениями токов и напряжений, основными соотношения между которыми устанавливаются фундаментальными законами электротехники – законами Кирхгофа и Ома. Кроме того, для каждого режима работы электрической цепи может быть записано уравнение баланса мощности, отражающее закон сохранения энергии для рассматриваемой цепи.

Первый закон Кирхгофа. Алгебраическая сумма токов в любом узле электрической цепи равна нулю:

Для записи уравнения по первому закону Кирхгофа необходимо произвольно выбрать положительное направления токов во всех ветвях электрической цепи учитывать их со знаком “плюс”, если они направлены к выбранному узлу, и со знаком “минус”, если они направлены от этого узла.

Второй закон Кирхгофа. В любом электрически замкнутом контуре электрической цепи алгебраическая сумма ЭДС равна алгебраической сумме напряжений на всех резистивных элементах того же контура:

Часто в электрических цепях между узлами цепи имеются те или иные напряжения. С учетом сказанного уравнения второго закона Кирхгофа в наиболее общем случае принимает вид:

Для записи уравнения (3) необходимо:

выбрать положительное направления напряжений, ЭДС, токов; выбрать направление обхода контура;

 со знаком “плюс” учитывать те слагаемые, положительное направления которых совпадают с направлением обхода контура в противном случае – со знаком «минус».

Закон Ома определяет связь между основными электрическими величинами на участках цепи. Для пассивного участка цепи, т. е. не содержащего источников, закон Ома можно записать в виде:

Уравнение баланса мощностей в соответствии с законом сохранения энергии формулируется следующим образом: суммарная мощность, отдаваемая всеми источниками электрической энергии, в цепь, должна быть равна мощности, потребляемой всеми приемниками, т. е.

Так как источники энергии в зависимости от условий работы могут не только отдавать мощность, но и потреблять ее (например, зарядка электрического аккумулятора), то уравнения баланса мощностей составляют с учетом действительных направлений ЭДС напряжений и токов и записывают в общем случае так:

В этом уравнении стрелками обозначены возможные взаимные направления ЭДС, напряжений и токов.

Мощность Р — это скорость, с которой совершается работа, т. е. происходит преобразование электрической энергии А в другие виды энергии. Работа, производимая электрическим током силой I при напря­жении U за время (t) равна А = UIt. Отсюда

P = A/t=(UIt)/t=UI=U2/R = I2R.

Закон сохранения энергии {баланс мощностей) — электриче­ская энергия (мощность), вырабатываемая источниками, рав­на энергии (мощности), потребляемой нагрузкой и вспомога­тельными элементами:

Знакомство с системой Electronics Workbench

  Разработка любого радиоэлектронного устройства сопровождается, как

правило,  физическим или математическим моделированием. Физическое

моделирование связано с большими материальными затратами, поскольку требуется изготовление макетов и их исследование,  которое может быть весьма трудоемким. Поэтому часто применяют математическое моделирование с использованием средств И методов вычислительной техники. Одной из таких программ является электронная система моделирования  Electronics  Workbench  (EWB), отличающаяся простым и легко осваиваемым пользовательским интерфейсом.

Запустив интегрированный пакет Electronics Workbench, вы увидите диалоговое окно и окно редактирования (рис. 1). Окно редактирования заполнено некоторыми компонентами. Диалоговое окно Electronics Workbench содержит поле меню, библиотеку компонентов и линейку контрольно-измерительных приборов расположенных в одном поле. Поле меню аналогичное с многими Windows-приложениями. Опции главного меню легко изучить самостоятельно.

Рис. 1

Несколько более подробно остановимся на некоторых компонентах и конрольно-измерительных приборах. На рисунке 1 в окне редактирования, начиная слева сверху, двигаясь направо, приведены обозначения следующих компонентов и конрольно-измерительных приборов: заземление, батарея, источник постоянного тока, источник переменного синусоидального тока (эффективное значения тока, частота, фаза), источник переменного синусоидального напряжения (эффективное значение тока, частота, фаза), резистор, конденсатор, катушка (индуктивность), трансформатор, переключатель, электролитический конденсатор, конденсатор переменной емкости, катушка переменной индуктивности, диод, стабилитрон, светодиод, диодный мост, диод Шокли, n – p – n транзистор, p – n –p транзистор, далее 4 вида полевых транзисторов, вольтметр, амперметр, лампа накаливания (напряжение, мощность), светодиод (цвет свечения), мультиметр, осциллограф, измеритель амплитудно-частотных и фазо-частотных характеристик.

Алгоритм подготовки и запуска электрических схем

1. Выбор необходимых компонентов электрической схемы и расположение их в окне редактирования Electronics Workbench 5.12.

Для этого подводим указатель мыши к одной из пиктограмм библиотеки компонентов или линейке контрольно-измерительных приборов и щелкаем левой кнопкой мыши. Выпадает одна из выбранных групп компонентов. Для того, чтобы выбрать необходимый, подводим указатель мыши к компоненту, нажимаем левую кнопку мыши (не отпускаем кнопку), перемещаем компонент на окно редактирования, отпускаем кнопку.

2. Ввод и изменение параметров выбранных компонентов.

Подводим указатель мыши к компоненту в окно редактирования и щелкаем два раза левой кнопкой мыши. Выпадает меню, состоящее из нескольких опций. Рассмотрим два из них:

Label – необходим для написания обозначения компонента;

Value – необходим для простановки значений компонента.

В контрольно-измерительных приборах при необходимости, например, в вольтметрах и амперметрах, при внесении параметров в опции Label, указываем для какого тока постоянного или переменного; в Mode выбираем DC – для постоянного тока, AC – для переменного.

3. Соединение компонентов электрической схемы.

После размещения компонентов и простановки параметров производится соединение их выводов проводниками. При этом необходимо учитывать, что к выводу компонента можно подключить только один проводник. Для выполнения подключения указатель мыши подводим к выводу компонента и после появления жирной точки (указатель соединения) нажимаем левую кнопку мыши, и появляющийся при этом проводник протягиваем к выводу другого компонента до появления на нем такой же жирной точки, после чего кнопку мыши отпускаем, соединение готово. Если соединение нужно разорвать, указатель мыши подводим к одному из выводов компонента или к точке соединения и при появлении указателя соединения нажимаем левую кнопку, проводник отводим на свободное место рабочего поля, после чего кнопку отпускаем. Если необходимо вывод компонента подключить к имеющемуся на схеме проводнику, то из вывода компонента проводник указателем мыши подводим к указанному проводнику и после появления точки соединения кнопку мыши отпускаем. Отметим, что прокладка соединительных проводов производится автоматически, причем препятствия – компоненты и проводники огибаются по ортогональным направлениям (по горизонтали или вертикали).

4. Подключение электрической схемы к питанию.

В правом верхнем углу диалогового окна расположена пиктограмма  0        1

0 – отключено питание;

1 – включено питание. После включения питания на контрольно-измерительных приборах регистрируются характеристики и значения собранной модели электрической схемы.

Часть 2 ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Используемое оборудование 

Электронная лаборатория Electronic Workbench 5.12 в составе:

- персональный компьютер с установленной операционной системой;

- программный пакет Electronic Workbench 5.12.

2. Задание на выполнение работы

Собрать схему исследуемой электрической цепи. Определить параметры цепи при работе:

- на холостом ходу;

- в рабочем режиме;

- в режиме короткого замыкания.

3. Записать значения параметров в таблицу.

4. Сделать выводы.

5. Оформить отчёт по лабораторной работе.

3. Порядок выполнения работы

1. Собрать электрическую схему (рис. 2) и предъявить ее для проверки преподавателю. Значение сопротивления R1 соответствует порядковому номеру обучающегося в классном журнале.

Рис.2

Провести измерения параметров цепи «на холостом ходу», для чего:

- переключатели №№1,2 установить в положение «разомкнуто»;

- включить питание;

Параметр	Участок цепи
R1	R2	R3	Значение параметра на участке а-в, если
?	100 Ом	25 Ом	50 Ом	75 Ом	100 Ом	R3=25 Ом	R3=50 Ом	R3=75 Ом	R3=100 Ом
R, Ом
U, В
I, мА
P, Вт

- показания приборов записать в таблицу 1.

Таблица 1

- выключить питание.

Провести измерения параметров цепи «на рабочем ходу», для чего:

- переключатели №1 установить в положение «замкнуто», а №2 в положение «разомкнуто»;

- включить питание;

Параметр	Участок цепи
R1	R2	R3	Значение параметра на участке а-в, если
?	100 Ом	25 Ом	50 Ом	75 Ом	100 Ом	R3=25 Ом	R3=50 Ом	R3=75 Ом	R3=100 Ом
R, Ом
U, В
I, мА
P, Вт

- показания приборов записать в таблицу 2.

Таблица 2

- выключить питание.

Провести измерения параметров цепи в режиме «короткого замыкания», для чего:

- переключатели №1, установить в положение «разомкнуто», а №2 в положение «замкнуто»;

- включить питание;

Параметр	Участок цепи
R1	R2	R3	Значение параметра на участке а-в, если
?	100 Ом	25 Ом	50 Ом	75 Ом	100 Ом	R3=25 Ом	R3=50 Ом	R3=75 Ом	R3=100 Ом
R, Ом
U, В
I, мА
P, Вт

- показания приборов записать в таблицу 3.

Таблица 3

- выключить питание.

Провести расчет мощности, рассеиваемой на каждой нагрузке, а также баланс мощности во всей цепи. Сделать вывод. Подготовить отчёт.

Отчет составляется индивидуально каждым обучающимся и должен содержать:

1) титульный лист с названием работы, Ф. И.О. обучающегося,
индекс группы и дату выполнения;

2) принципиальные схемы исследованных цепей, вычерченных в соответствии с ЕСКД;

3) таблицы экспериментальных данных;

4) обусловленные заданием расчеты.

Часть 3 КОНТРОЛЬНО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ МАТЕРИАЛ

Для защиты лабораторной работы необходимо представить выполненный тест по указанному варианту, ответы на контрольные вопросы, отчет по лабораторной работе.

Тестовые задания

Тестовые задания представлены в форме четко сформулированных вопросов, исключающих неоднозначность ответа тестируемого на требования задания, и не содержат подсказок ни в формулировке тестового задания, ни в предлагаемых ответах, а также не содержат повторов или двойных ситуаций.

Каждый правильный ответ  - 1 балл.

Вопросы, требующие установления соответствия, оцениваются 1 баллом за каждый правильный вариант.

Критерии оценки

5	4	3	2
6 верных ответов	5 верных ответов	4 верных ответа	Менее 4 верных ответов

Бланк ответов к тестовым заданиям

Вариант – I

Фамилия_______________________________________________________________

Имя____________________________________________________________________

Отчество _______________________________________________________________

Группа _________________________________________________________________

Выберите наиболее точный  вариант ответа.

Ответы занесите в таблицу.

Критерии оценки

5	4	3	2
6  верных ответов	5 верных ответов	4 верных ответа	Менее 4 верных ответов

1	2	3	4	5	6

Вариант №1

Переведите значения физических величин в другие единицы измерения. 1000 мВ; 0.15А; 4.7 кОм; 500 мкФ. Укажите правильный ответ.

1. 10 В; 1500 мА; 470 Ом; 500 000 нФ

2. 1 В; 150 мА; 4700 Ом; 0,5*10-3 Ф

3. 1 В; 1500 мА; 0,47 Мом; 0,5*10-3 Ф

4. 10 В; 150 мкА; 4700 Ом; 0,5*10-3  пФ

Как нагреваются провода одинаковых диаметра и длины из разных материалов при одном и том же токе? Сильнее нагревается медный провод. Сильнее нагревается стальной провод. Сильнее нагревается алюминиевый провод. Провода нагреваются одинаково.
Какое соединение резисторов R1...R4 представлено на рис.?

Рис.

Последовательное. Параллельное. Смешанное. Другой ответ.
Каково эквивалентное сопротивление цепи, показанной
на рис., если все резисторы в ней имеют одинаковое сопротивление R?

1.R3=2R.  2.R3 = R.  3.R3 = 4R.  4.R3 = R/2.  5. R3 = R/4. 

Каково эквивалентное сопротивление цепи, показанной на рис., если все резисторы в ней имеют одинаковое сопротивление R?

1. R3 = 3R.  2.R3 = R/3.  3.R3=2R/3.  4. Нуль.  5.R3 = R.

Как включаются в электрическую цепь амперметр и вольтметр. Амперметр последовательно с нагрузкой, вольтметр параллельно нагрузке. Амперметр параллельно нагрузке, вольтметр последовательно с нагрузкой. Амперметр и вольтметр последовательно с нагрузкой. Амперметр и вольтметр параллельно нагрузке.

Вариант №2

Определить, какой из четырех приведенных на рис.  графиков является графиком постоянного тока.

   

  1.  2.  3.

  4.

Как нагреваются провода из одного и того же материала одинаковой длины, но разного диаметра при одном и том же токе? Провода нагреваются одинаково. Сильнее нагревается провод с меньшим диаметром. Сильнее нагревается провод с большим диаметром. Другой ответ.

Каково эквивалентное сопротивление цепи, показанной на рис. 19, если все резисторы в ней имеют одинаковое сопротивление R?

1.R3 = R.  2.R3 = R/3.  3.R3 = 2R/3.  4. R3 = 3R/2.  5. R3 = 3R.

Переведите значения физических величин в другие единицы измерения. 1000 мВ; 0.15А; 4.7 кОм; 500 мкФ. Укажите правильный ответ.

1. 10 В; 1500 мА; 470 Ом; 500 000 нФ

2. 1 В; 150 мА; 4700 Ом; 0,5*10-3 Ф

3. 1 В; 1500 мА; 0,47 Мом; 0,5*10-3 Ф

4. 10 В; 150 мкА; 4700 Ом; 0,5*10-3  пФ

       Каково эквивалентное сопротивление цепи, схема которой показана на рис. 25, если R1 = 4 Ом; R2 = 2 Ом; R 3 = 3 Ом?

1. Rэ= 1,1 Ом.  2. Rэ= 0,9Ом.  3. Rэ= 2,7 Ом.  4. Rэ=3,3 Ом.

Какое сопротивление должны иметь вольметр и амперметр. Большое Малое Вольтметр большое, амперметр малое Вольтметр малое, амперметр большое

Вариант №3

Переведите значения физических величин в другие единицы измерения. 1000 мВ; 0.15А; 4.7 кОм; 500 мкФ. Укажите правильный ответ.

1. 10 В; 1500 мА; 470 Ом; 500 000 нФ

2. 1 В; 150 мА; 4700 Ом; 0,5*10-3 Ф

3. 1 В; 1500 мА; 0,47 Мом; 0,5*10-3 Ф

4. 10 В; 150 мкА; 4700 Ом; 0,5*10-3  пФ

Каково эквивалентное сопротивление цепи, показанной
на рис., если все резисторы в ней имеют одинаковое сопротивление R?

1.R3=2R.  2.R3 = R.  3.R3 = 4R.  4.R3 = R/2.  5. R3 = R/4. 

Каково эквивалентное сопротивление цепи, показанной на рис., если все резисторы в ней имеют одинаковое сопротивление R?

1. R3 = 3R.  2.R3 = R/3.  3.R3=2R/3.  4. Нуль.  5.R3 = R.

Как нагреваются провода одинаковых диаметра и длины из разных материалов при одном и том же токе? Сильнее нагревается медный провод. Сильнее нагревается стальной провод. Сильнее нагревается алюминиевый провод. Провода нагреваются одинаково.

Какое соединение резисторов R1...R4 представлено на рис.?

Рис.

Последовательное. Параллельное. Смешанное. Другой ответ.

Как включаются в электрическую цепь амперметр и вольтметр.

1. Амперметр последовательно с нагрузкой, вольтметр параллельно нагрузке.

2. Амперметр параллельно нагрузке, вольтметр последовательно с нагрузкой.

3. Амперметр и вольтметр последовательно с нагрузкой.

4. Амперметр и вольтметр параллельно нагрузке.

Вариант №4

Как изменятся показания приборов VI, V2, А (рис.) при перемещении движка реостата R вниз?

U1 уменьшится, U 2увеличится, I увеличится. U1 U2, I увеличатся. U1 U2, I уменьшатся. U1 U2 не изменятся, I уменьшится. U1 U2, I не изменятся.
Определить, какой из четырех приведенных на рис.  графиков является графиком постоянного тока.

   

  1.  2.  3.

  4.

3.  Как нагреваются провода из одного и того же материала одинаковой длины, но разного диаметра при одном и том же токе?

Провода нагреваются одинаково. Сильнее нагревается провод с меньшим диаметром. Сильнее нагревается провод с большим диаметром. Другой ответ.

4.        Каково эквивалентное сопротивление цепи, схема которой показана на рис. 25, если R1 = 4 Ом; R2 = 2 Ом; R 3 = 3 Ом?

1. Rэ= 1,1 Ом.  2. Rэ= 0,9Ом.  3. Rэ= 2,7 Ом.  4. Rэ=3,3 Ом.

Какое сопротивление должны иметь вольтметр и амперметр. Большое Малое Вольтметр большое, амперметр малое Вольтметр малое, амперметр большое

Какое соединение резисторов R1...R4 представлено на рис.?

Рис.

Последовательное. Параллельное. Смешанное. Другой ответ.

КЛЮЧ ТЕСТА

1	2	3	4	5	6
Вариант 1	2	2	3	2	2	1
Вариант 2	1	2	1	2	1	3
Вариант 3	1	2	2	2	3	1
Вариант 4	1	1	2	1	3	3

Контрольные вопросы Что такое сила тока, напряжение, электродвижущая сила, сопротивление, проводимость, мощность? Дайте определение постоянного и переменного тока. Сформулируйте основные законы электротехники. Назовите способы соединения приемников электрической энергии. Чему равны общие сопротивления ЭЦ при последовательном и параллельном соединении приемников электрической энергии?
Оценка результативности выполнения лабораторной работы

Оценка «5» ставится в том случае, если обучающийся:

1. Выполнил работу в полном объеме с соблюдением необходимой последовательности проведения опытов и измерений.

2. Исследования  провел в условиях и режимах, обеспечивающих получение результатов и выводов с наибольшей точностью.

3. В представленном отчете правильно и аккуратно выполнил все записи, таблицы, рисунки, чертежи, графики, вычисления и сделал выводы.

4. Получил «отличную» оценку по тестовому заданию.

5. Правильно и полно ответил на контрольные вопросы.

6. Соблюдал требования безопасности труда.

Оценка «4» ставится в том случае, если выполнены требования к оценке «5», но:

1. Получил «отличную» или «хорошую» оценку по тестовому заданию.

2. Не полно ответил на контрольные вопросы.

3. Было допущено два-три недочета, или не более одной негрубой ошибки и одного недочета.

Оценка «3» ставится, если работа выполнена не полностью, но объем выполненной части таков, что позволяет получить правильные результаты и выводы, или если в ходе проведения опыта и измерений были допущены следующие ошибки:

Оценка «2» ставится в том случае, если не выполнены требования для получения оценки «3».

Заключение

Основное внимание в данной методической разработке уделяется практическому материалу и закреплению знаний по приведенной теме. Представленные материалы можно использовать как для проведения занятий, так и для домашних заданий. Часть из данного практического материала может послужить основой для проверочных, самостоятельных и контрольных  работ.

Данное пособие можно использовать при обучении по техническим специальностям и профессиям. Оно может быть использовано преподавателями для проведения занятий по дисциплинам «Электротехника» и «Основы электротехники», а так же обучающимися для подготовки к проверочным работам, подготовки к зачету и контрольной работе по данным дисциплинам.

Это пособие так же можно использовать для обучения по инклюзивной форме обучения с помощью дистанционных технологий.

Список литературы

, , Электротехника: Учебник. – М: ОИЦ «Академия», 2010. – 272 с. , Электротехника: Учебное пособие. –Ростов на Дону: «Феникс», 2009. –571 с. Электротехника: Учебник. – М: ОИЦ «Академия», 2010. – 288 с. Контрольные материалы по электротехнике: Учебное пособие. – М: ОИЦ «Академия», 2010. – 112 с.