Щеглова И.Ю., Печенов В.В. Виртуальный физический практикум

Подождите немного. Документ загружается.

Знакомство с интерфейсом программы схемотехники СБОРКА.

E1, r1

E2, r2

Рис. 14.

Схема цепи для изучения различных ре-

жимов работы источников.

Вольтметр V1 измеряет разность потенциалов на зажимах источника с

э.д.с. Е

и внутренним сопротивлением r

; вольтметр V2 – на зажимах источни-

ка с э.д.с. Е

и внутренним сопротивлением r

; вольтметр V - падение потен-

циала на концах каждого из трех участков, подключенных к точкам

1 и 2. Ам-

перметры

А1, А2 и А служат для измерения токов в различных ветвях цепи.

Ключи К1 и К2 замыкают цепи источников Е1 и Е2, соответственно. Все изме-

рительные приборы будем для простоты считать идеальными, поэтому тока в

ветви, содержащей вольтметр

V, не будет.

Укажем (произвольно) направления токов во всех ветвях и составим сис-

тему уравнений в соответствии с законом Ома для различных участков цепи и

правилами знаков для токов и э.д.с.:

()











ϕ−ϕ

=−−−

+ϕ−ϕ

=−−

+ϕ−ϕ

=−−

;:21

;

:22E1

;

:21E1

221

121

III

Решая эту систему относительно разности потенциалов (

−

()

111













+−

=ϕ−ϕ

Rrr

можно затем рассчитать токи во всех ветвях этой цепи (нетрудно видеть, что

разность потенциалов в нашем случае будет отрицательной, т.к.

ϕ<ϕ ). Если в

результате вычислений ток в какой-либо ветви получится отрицательным, это

Знакомство с интерфейсом программы схемотехники СБОРКА.

означает, что его истинное направление противоположно указанному на рисун-

ке. Зная же токи, вычисляют разность потенциалов на зажимах каждого источ-

ника

(

)

(

−+

ϕ−ϕ=U - показания вольтметра V1 и

(

)

−+

ϕ−ϕ=U - показания

вольтметра

)

V2 . Если она меньше э.д.с. источника, говорят, что источник раз-

ряжается, если больше – заряжается.

a) Собрать цепь по рис. 14, соблюдая полярность включения измерительных

приборов. В качестве измерительных приборов и источников удобно выбрать

схем-приборы. Установить одинаковые э.д.с. и внутренние сопротивления:

=Е

, r

(по указанию преподавателя). Отметить показания приборов

(встроенных амперметров

А1 и А2, схем-амперметра А и схем-вольтметров V1,

V2, V) при разомкнутых ключах К1 и К2. Результаты занести в таблицу "Экспе-

римент". Величина сопротивления реостата выбирается произвольно.

b) Замкнуть только ключ К1. Выписать показания приборов в таблицу "Экс-

перимент". Сравнить токи I

и I. Объяснить расхождение. Отключить вольт-

метр

V и вновь сравнить токи.

c) Разомкнуть ключ К1 и замкнуть К2. Выписать показания приборов в таб-

лицу "Эксперимент". Сравнить токи I

и I. Объяснить расхождение. Отключить

вольтметр

V и вновь сравнить токи. Для результатов п.п. 2 и 3 рассчитать токи

и падения потенциалов в соответствии со схемой (т.е. I

, I

, I, U

, U

, U), считая

все измерительные приборы идеальными. Результаты вычислений занести в

таблицу "Расчет".

Эксперимент

№

п/п

, В r

, Ом Е

, В r

, Ом U

, В U

, В

U, В

, А I

, A

I, A

, A

...

Примечание: строки 2 и 3 таблицы заполняются дважды – с вольтметром V и без него.

Расчет

№

п/п

, В U

, В

U, В

, А I

, A

I, A

, A

d) Замкнуть оба ключа. Выписать показания приборов. Сравнить сумму то-

ков I

с током I; э.д.с. источников с показаниями вольтметров V1 и V2, а

также

V (т.е. Е

– с U

и U, а Е

– с U

и U); падения потенциалов U

, U

и U ме-

жду собой. Объяснить имеющиеся расхождения. Что происходит с каждым из

Знакомство с интерфейсом программы схемотехники СБОРКА.

источников (разряжается, заряжается)? Каково направление токов через источ-

ники в этом случае?

e) Рассчитать токи I

, I

и I в отдельных ветвях цепи (таблица "Расчет") и

сравнить с соответствующими показаниями приборов (таблица "Экспери-

мент"). Сравнить также I

с током I.

f) Рассчитать падения потенциалов U

, U

и U. Сравнить с эксперименталь-

ными данными.

g) Изменить внутренние сопротивления источников так, чтобы r

≠

и по-

вторить п./п.

b)-f) задания.

h) Установить r

и Е

≠Е

. Повторить п./п. b)-f) задания. Что происходит с

каждым из источников? Что означает отрицательное значение силы тока в од-

ной из ветвей (и в какой именно)? Что произойдет, если в эту ветвь включить

вместо схем-прибора демонстрационный амперметр? Каково направление тока

через источник в каждом из случаев?

i) Установить r

≠

и Е

≠Е

. Повторить п./п. b)-f) задания.

Собрать цепь по рис. 15, а. В качестве источников питания необходимо

использовать схем-приборы со встроенными амперметрами. Э.д.с. источников

и их внутренние сопротивления выбираются одинаковыми: Е

=Е

(по указанию преподавателя). Нагрузкой R в схеме может служить

обычный постоянный резистор или реостат (предпочтительней). Вначале вели-

чина сопротивления нагрузки должна быть достаточно большой (больше со-

противлений отдельных источников).

E1, r1

E2, r2

E3, r3

E4, r4

E1, r1 E2, r2 E3, r3 E4, r4

а) б)

Знакомство с интерфейсом программы схемотехники СБОРКА.

Рис. 15. Рабочие схемы установок для демонстрации некоторых режимов работы

источников и различных схем их включения.

a) При разомкнутом ключе К измерить разность потенциалов на зажимах

полученной батареи. Сравнить с э.д.с. каждого источника и экспериментально

вывести формулу разности потенциалов на зажимах батареи

(или ее э.д.с.),

состоящей из нескольких параллельно соединенных одинаковых источников,

включенных одноименными полюсами. Проверить ее, добавляя новые источ-

ники или удаляя уже включенные в цепь. Как называется такой режим работы

источников? Каков при этом ток в цепи?

b) Восстановить исходную цепь, замкнуть ключ, сопоставить показания при-

боров и объяснить причину изменения падения потенциала на зажимах батареи

при замыкании цепи. Вывод проверить математически. Чем объясняются

имеющиеся расхождения экспериментальных и теоретических данных? Одина-

ков ли ток в нагрузке при включенном и отключенном вольтметре? Почему?

Как связан ток в нагрузке с токами в источниках? В каком режиме работают ис-

точники? Каково внутреннее сопротивление полученной батареи

№ п/п

Соединение

источников

, В

, Ом

, В

, Ом

, В

, Ом

, В

, Ом

R, Ом

U, В

, А

I, А

…

c) Изменяя нагрузку, проследить за изменением разности потенциалов на

зажимах батареи. Выписать показания вольтметра для трех-четырех значений

сопротивления R. Математически обосновать результаты.

d) Изменить сопротивление одного из источников. Измерить разность по-

тенциалов на зажимах батареи при разомкнутом ключе. Отключить вольтметр

и, замкнув цепь ключом, измерить силу тока в ней. Выполняются ли формулы,

полученные в п./п.

а) и b) задания (провести математическую проверку, для че-

го необходимо рассчитать ток в цепи и сравнить его с экспериментальным зна-

чением)? Сделать вывод.

e) Изменить э.д.с. одной из батарей и вновь проверить выполнение формул.

Собрать цепь по рис. 15, б, используя приборы п. 2 задания (э.д.с. источ-

ников и их внутренние сопротивления одинаковы). Сопротивление нагрузки

выбрать достаточно большим.

a) При разомкнутом ключе К измерить разность потенциалов на зажимах

полученной батареи. Почему ток в источниках в этом случае отличен от нуля?

Выписать экспериментальные результаты. Сравнить показания вольтметра с

э.д.с. каждого источника и экспериментально вывести формулу разности по-

тенциалов на зажимах батареи (или ее э.д.с.), состоящей из нескольких после-

Знакомство с интерфейсом программы схемотехники СБОРКА.

довательно соединенных одинаковых источников. Проверить ее, добавляя но-

вые источники или удаляя уже включенные в цепь. Заменить схем-вольтметр

наиболее подходящим демонстрационным прибором и повторить измерения.

Сравнить токи в цепи с различными вольтметрами и объяснить расхождение.

b) Восстановить исходную цепь. Замкнуть ключ. Выписать показания при-

боров. Объяснить различие токов в нагрузке и источниках. Отключить вольт-

метр и вновь сравнить показания амперметров. Подтверждается ли ваш вывод

относительно э.д.с. батареи элементов? Чему равно ее внутреннее сопротивле-

ние? Рассчитать ток, пользуясь законом Ома для замкнутой цепи и считая

вольтметр идеальным. Сравнить экспериментальные и теоретические значения.

c) Изменяя нагрузку, проследить за изменением разности потенциалов на

зажимах батареи. Выписать показания вольтметра для трех-четырех значений

сопротивления R. Математически обосновать результаты.

d) Изменить направление включения одного из источников (т.е. полярность

подключения источника в цепи). Выписать экспериментальные результаты.

Провести математический расчет для данного случая. Что происходит с этим

источником? Каково направление тока через него?

e) Составить цепь из нескольких последовательно соединенных источников

и замкнуть ее накоротко. Измерить разность потенциалов на зажимах каждого

из источников (поочередно). Ответ обосновать математически.

f) Повторить эксперимент, используя вместо схем-приборов батареи. Что

происходит после замыкания цепи? Как называется такой режим работы источ-

ников?

Отчет.

Отчет по работе должен содержать:

1. Схемы установок для проверки законов постоянного тока (каждую из этих схем не-

обходимо сохранить в отдельном файле).

2. Таблицы с экспериментальными и теоретически определенными величинами, вы-

полненные в

MS Excel; графики зависимостей I=f(U), U=f(R) и I=f(R).

3. Основные выводы по работе.

Примечание: Все данные сохранять в одной папке - Сборка, которая создается до начала

работы.

Знакомство с интерфейсом программы Electronics Workbench.

Лабораторная работа № 2.1.

ЗНАКОМСТВО С ИНТЕРФЕЙСОМ ПРОГРАММЫ ELECTRONICS

WORKBENCH И РАЗРАБОТКА НЕКОТОРЫХ ПРОСТЕЙШИХ СХЕМ.

1. Основные сведения об интерфейсе программного комплекса Electronics

Workbench.

Программа Electronics Workbench представляет собой мощное средство

для создания и имитации (симуляции) работы различных электронных уст-

ройств.

Рис. 1. Внешний вид окна программы Electronics Workbench.

Основные элементы окна:

1. Строка заголовка.

2. Строка меню. Строка меню состоит из следующих пунктов: меню ра-

боты с файлами (

File), меню редактирования (Edit), меню работы с цепями в це-

лом и отдельными элементами (

Circuit), меню анализа схем (Analysis), меню рабо-

ты с окнами (

Window), меню работы с файлами справок (Help).

3. Панель инструментов (кнопки, дублирующие некоторые команды ме-

ню – верхний ряд); тумблер включения питания (

Power) ; кнопка приоста-

новки симуляции

Pause/Resume .

4. Кнопки вывода панелей с набором радиоэлектронных аналоговых и

цифровых деталей, индикаторов, элементов управления и приборов (нижний

ряд кнопок).

5. Рабочая область. В рабочей области проводится разработка схемы

электронного устройства. Для размещения необходимого элемента в рабочей

области необходимо щелчком мыши открыть соответствующую панель с набо-

ром деталей или инструментов и перетащить нужный элемент в рабочую об-

ласть.

6. Строка состояния. В строке состояния, в частности отображается вре-

мя моделирования (симуляции).

Рассмотрим некоторые из панелей и их основные элементы.

Знакомство с интерфейсом программы Electronics Workbench.

1. Источники питания (группа Sources).

Земля - является контрольной точкой в цепи, относительно которой изме-

ряется напряжение. Практически все цепи, использующие разнообразные ис-

точники тока, трансформаторы, осциллографы, операционные усилители, ана-

логовые и цифровые элементы, требуют заземления.

Источник постоянного тока позволяет поддерживать постоянный ток в

широком диапазоне (от долей микроампер (мкА) до кА) независимо от величи-

ны сопротивления нагрузки и приложенного напряжения.

Источник постоянного напряжения (батарея) поддерживает постоян-

ное напряжение в диапазоне от мкВ до кВ независимо от величины нагрузки.

Источник переменного тока служит для поддержания определенной ве-

личины переменного тока (действующее значение тока устанавливается в пре-

делах от мкА до кА) различной частоты и начальной фазы.

Источник переменного напряжения используется для поддержания пе-

ременного напряжения различной величины (действующее значение можно ус-

танавливать в пределах от мкВ до кВ), частоты и начальной фазы.

Все рассмотренные выше источники являются идеальными.

Источник произвольного постоянного напряжения , характеризуемый

э.д.с

. (Pull-Up Voltage) и внутренним сопротивлением (Resistance), – Pull-Up

Resistor – неидеальный источник. При включении его в цепь часть мощности

выделяется на внутреннем сопротивлении, в результате чего к.п.д. источника

будет меньше 1, как у реального прибора. Этот источник находится в панели

Basic (Основные пассивные элементы – см. ниже).

Существуют и другие источники, с некоторыми из которых мы познако-

мимся в процессе работы.

Основные (пассивные) элементы (группа Basic).

Разъем (точка) служит для подключения нескольких проводников к одной

точке (узлу). Он может создаваться автоматически при касании одного провода

другим (во время протягивания соединительных проводников) и также автома-

тически исчезать, если в данном месте разъем уже не нужен. Разъем можно сде-

лать постоянным, если задать для него метку (условное обозначение, имя –

La-

bel). К каждому разъему можно подключать до четырех проводов.

Резистор представляет собой элемент цепи, обладающий активным сопро-

тивлением, величину которого может изменять в широком диапазоне. Величина

сопротивления реального резистора может изменяться температурой по опре-

деленному закону, у идеального резистора – нет. В своих схемах мы будем ис-

пользовать в основном идеальные резисторы.

Переменный резистор может использовать как реостат (для изменения то-

ка в цепи) или как потенциометр (делитель напряжения – для регулировки на-

Знакомство с интерфейсом программы Electronics Workbench.

пряжения). Для работы с ним необходимо задать его номинал (т.е. максималь-

ное сопротивление), начальное значение величины сопротивления (положение

подвижного контакта), шаг изменения сопротивления (в процентном отноше-

нии к номиналу), а также управляющую клавишу, нажатие на которую умень-

шает, а в комбинации с кнопкой

Shift (для алфавитных) или Ctrl (для цифровых

клавиш) – увеличивает сопротивление в соответствии с выбранным шагом.

Конденсатор постоянной и переменной емкости - элемент цепи пе-

ременного тока, служащий для накопления зарядов. Основным параметром

конденсатора является его электрическая емкость, измеряемая в фарадах.

Катушка постоянной и переменной индуктивности используется в

основном в колебательных контурах или для создания индуктивного сопротив-

ления переменному току. В первом случае ее называют катушкой индуктивно-

сти, во втором – дросселем. Представляет собой соленоид с сердечником или

без него. Катушку характеризуют параметром L, называемым индуктивностью.

Трансформатор , или преобразователь, служащий для повышения или по-

нижения напряжения в цепях переменного тока. Состоит из двух или более ка-

тушек с проволочными обмотками на одном обычно замкнутом железном или

ферритовом сердечнике. Одна из обмоток называется первичной, остальные –

вторичными. В электронных приборах трансформаторы выполняют две важные

функции: во-первых, они преобразуют напряжение переменного тока сети к

нужному, обычно более низкому значению, которое можно использовать в схе-

ме, и, во-вторых, они "изолируют" электронную схему от непосредственного

контакта с силовой сетью, так как обмотки трансформатора электрически изо-

лированы друг от друга. Основным параметром трансформаторов является ко-

эффициент трансформации (

UUn = , где U

– напряжение на зажимах пер-

вичной, а U

– вторичной обмотки).

Всевозможные

ключи: - срабатывает при нажатии на выбранную клавишу;

срабатывает по истечении определенного времени, задаваемого пользова-

телем (для данного вида ключа можно выбирать как время его включения (сра-

батывания)

Turn on, так и время отключения – Turn off); существуют также ключи,

управляемые напряжением или током (т.е. срабатывающие при определенной

величине напряжения или тока).

Полупроводниковые диоды (группа Diodes).

Выпрямительный диод, стабилитрон, светодиод и диодный

мост –

нелинейные элементы электрических схем, в которых используются

электронные процессы – движение электронов и дырок. Все диоды имеют два

вывода – анод и катод. Если потенциал анода больше, чем катода, то говорят,

что диод включен в прямом направлении (открыт), т.е. проводит электриче-

ский ток; если больше потенциал катода – в обратном направлении (закрыт).

На условном обозначении направление стрелки диода совпадает с направлени-

ем прямого тока.

Знакомство с интерфейсом программы Electronics Workbench.

4. Полупроводниковые транзисторы (группа Transistors).

Биполярный транзистор n-p-n и p-n-p типа - нелинейный элемент,

имеющий три вывода: база, эмиттер и коллектор. Транзистор представляет

собой кристалл с тремя областями с различным типом проводимости. В зави-

симости от чередования этих областей различают транзисторы

p-n-p и n-p-n-

типа. Средняя часть называется базой, одна из крайних – эмиттером, другая –

коллектором. Полярность выводов транзистора зависит от его типа. Ток тран-

зистора существенным образом зависит от потенциала базы.

Полевой n-канальный и p-канальный транзисторы – транзисторы,

свойства который в корне отличаются от свойств биполярных транзисторов.

Управление током в таких приборах осуществляется электрическим полем, соз-

даваемым приложенным напряжением. Название выводов полевого транзисто-

ра: затвор (управляющий электрод), исток и сток.

Индикаторные приборы (группа Indicators).

Измерительные приборы: вольтметр и амперметр служат для измере-

ния напряжения и силы как постоянного (

DC – direct current), так и переменного

(

AC - ) тока и являются аналогами цифровых приборов. Основной характеристи-

кой этих приборов является их внутреннее сопротивление (у идеального вольт-

метра оно бесконечно велико, а у идеального амперметра равно нулю). При

включении их в цепь постоянного тока необходимо соблюдать полярность: бо-

лее низкий потенциал подается на тот вывод, который отходит от более темной

стороны прибора

Лампа накаливания чаще всего используется как обычная нагрузка или

как световой индикатор. Основные параметры: максимальная мощность и на-

пряжение.

Пробник (светодиодный индикатор) позволяет исследовать распределе-

ние потенциала в цепи относительно общего вывода (загорается при опреде-

ленном положительном напряжении), не требуют подключения ограничиваю-

щего сопротивления и заземления, хотя реальные цепи должны все это содер-

жать.

Семисегментные индикаторы десятичных цифр.

Зуммер

- звуковой индикатор. Инициализируется при достижении уста-

новленного значения напряжения. Можно изменять частоту звукового сигнала,

напряжение и ток срабатывания.

Инструменты (группа Instruments).

Для работы электрических цепей и анализа происходящих в них процессов

служат различные приборы. В Electronics Workbench их семь. Рассмотрим ос-

новные из них.

Мультиметр - прибор для измерения напряжения и силы постоянного и

Знакомство с интерфейсом программы Electronics Workbench.

переменного тока, сопротивления и ослабления сигнала по отношению к уста-

новленному эталонному значению. Измерения всех величин можно проводить в

очень широком диапазоне. Мультиметр может работать в режиме идеального

прибора, а также имитировать реальный прибор при установке соответствую-

щих параметров: кнопка

Settings на передней (лицевой) панели прибора, которая

выводится либо двойным щелчком, либо через меню

Circuit/Component Properties…

для выделенного компонента.

Результаты измерения отображаются на цифровом табло.

Кроме него на передней панели расположены кнопочные пе-

реключатели 1) выбора рода работ (режима измерения тока,

напряжения, сопротивления и ослабления)

;

2) выбора рода тока

(переменный или постоянный);

3) установки параметров мультиметра (внутреннего сопро-

тивления амперметра и вольтметра; тока через контролируе-

мый объект в режиме омметра; установка эталонного напря-

жения (по умолчанию 1 В) при измерении усиления или ос-

лабления в децибелах)

Примечание: При измерении сопротивления с помощью мультиметра необхо-

димо отключать исследуемый участок от цепи питания и обязательно зазем-

лять отрицательный вывод!

Функциональный генератор (генератор

функций, или специальных сигналов) – по-

зволяет формировать синусоидальные, тре-

угольные и прямоугольные сигналы в очень

широком диапазоне частот, при этом преду-

смотрена возможность регулировки ампли-

туды сигнала, коэффициента заполнения в %

и смещения по постоянному току. Все пара-

метры прибора выбираются на его передней

панели.

Выбор формы выходного сигнала осуществляется переключателем

. Выходное напряжение установленной амплитуды сни-

мается с клемм

Common (общий) и "+" (или "-"); удвоенной амплитуды – с клемм

"+" и "-". Если же вывод

Com заземлить, то на клеммах "+" и "-" получают пара-

фазный сигнал (два сигнала, отличающиеся по фазе на

π).

Поле

Duty cycle позволяет изменять скважность импульсного напряжения (отно-

шение периода сигнала к длительности импульса) или соотношение между дли-

тельностями переднего и заднего фронта треугольного сигнала. Последнее поле

Offset устанавливает смещение (постоянную составляющую) сигнала.

Осциллограф - прибор для наблюдения изменения некоторой величины с

течением времени; зависимости одной колеблющейся величины от другой (не

от времени); для измерения частоты периодических процессов, малых отрезков