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-2000 1 Hlavní panel 1 Deska plošného spoje EB-102 3.0 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 PU2000. 2. 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 R1 a +12V.
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 RX od napájení +12V a uzemněte levý vývod R1. Připojte multimetr na výstupy obvodu, změřte výstupní odpor a zaznamenejte ho. To je R(THEVENINA). R(THEVENINA) = …………………… 9. Odstraňte zkrat z R1 na zem. 10.Připojte ohmmetr na RV1 + R6, potom nastavte RV1, aby hodnota odporu byla rovna R(THEVENINA). 11.Nyní jste nastavili napájení PS-1 a RV1 + R6 jako Theveninův ekvivalent obvodu, sestaveného ze zdroje 12V, R1, R2 a R3. Pro ověření, že původní a Theveninův náhradní obvod jsou totožné, zatěžujte původní obvod rezistorem R4, potom R5 a nakonec spojením nakrátko. Při každé zátěži měřte UOUT a IOUT a zaznamenejte je do tabulky na Obr.2. ZÁTĚŽ
UOUT
R4 R5 Zkrat Obr. 2: Původní obvod
IOUT
12. Opakujte tyto testy pro Theveninův náhradní obvod a zaznamenejte výsledky do Obr.3. ZÁTĚŽ
UOUT
IOUT
R4 R5 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 naměřené?
Theveninův
náhradní
obvod.
Jsou
výsledky
stejné
jako
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-2000 1 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: Uout = n x Uin
POSTUP 1. Umístěte desku plošného spoje EB-102 do vedení desky a připojte konektor jednotky PU-2000. 2. 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.2. 8. Odpojte PS-1 od obvodu. 9. Opakujte tento postup pro 40%, 60%, 80% a 100% otáčení. Při každém použití ohmmetru pro měření odporu musí být napájení odpojeno. OTÁČENÍ 20% 40% 60% 80% 100%
ODPOR % Z CELKOVÉHO R
Uout bez zátěže
Uout zátěž R17
Uout zátěž R18
Obr. 2 10. Připojte R17 na jezdec p1 a opakujte měření napětí. Výsledky zaznamenejte do Obr.2.
Obr. 3: Obvod děliče napětí 11. Nahraďte R17 v obvodu za R18 a opakujte měření napětí, výsledky zaznamenejte do Obr.2. 12. Vyneste
graf
změřeného
Uout (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.
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-2000 1 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-2000. 2. 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
5. Změřte a zaznamenejte výstupní napětí na R15 a výstupní proud přes R15. Vyměňte zkratovací propojovací drát v sérii s R15 za miliampérmetr při měření Iout. Uout = ………………………….. Iout = …………………………….. 6. Použitím vzorce vypočítejte hodnoty Uout a Iout v obvodu. Uout = ………………………….. Iout = …………………………….. Nápověda: pro výpočet Iout se podívejte na vztah mezi Uout, Iout a R15. OTÁZKY: Dokazuje tento experiment platnost Millmanova principu?
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-2000 1 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-2000. 2. Zapněte hlavní panel. 3. Jsou-li dostupná napětí proměnná, nastavte ± 12V. 4. Připojte obvod na Obr.1.
Obr.1
5. Nastavte PS-1 na 4,5V. Všimněte si, že zdroj napětí PS-2 je nyní zkratován. 6. Změřte Uout a Iout s PS-2 zkratovaným a zaznamenejte hodnoty do Obr. 2. Vyměňte zkratovací propojku v sérii s R15 za miliampérmetr při měření Iout ZDROJ NAPĚTÍ Jen PS-1 Jen PS-2 CELKEM
Uout
Iout
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 Uout a Iout pouze od PS-2 do Obr.2. 9. Odpojte zkratovací propojení na PS-1 a nastavte 4,5V. Změřte a zaznamenejte Uout a Iout
Uout = ………………………….. Iout = ……………………………..
Obr.3 OTÁZKY: Jaké závěry odvozujete z tohoto experimentu?
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-2000 1 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-2000. 2. 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 R16 slouží jako proměnná zátěž pro zdroj napětí.
Obr. 1 5. Nastavte PS-1 na 5V.
6. Změřte a zaznamenejte do Obr.2 (pro zatížení R16 + P1) 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 R16 za miliampérmetr při měření Iout. OTÁČENÍ
Iout P1 + R16
Uout Pl + R16
Pl
Odpor zátěže Pl + R16
Pl
0% 20% 40% 60% 80% 100% Obr.2: Zdroj napětí zatížený různými zátěžemi. 7. Zapojte obvod na Obr.1(b). Potenciometr slouží jako proměnná zátěž zdroje. R16 v sérii s vnitřním odporem zdroje PS-1 reprezentuje Theveninův ekvivalent odporu zdroje. 8. Opakujte krok 6 pro zatížení P1 a zaznamenejte svoje výsledky do Obr.2.
Obr. 3 9. Nakreslete graf do Obr.3 s výstupním napětím na svislou osu a proudem zátěže na vodorovnou osu pro zátěž (P1 + R16) a zátěž P1 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:
Rout
·
Re g.U =
SníženíU out ZvýšeníI out
Vypočítejte regulaci výstupního napětí u obou konfigurací obvodu.
(U out . pro. min . proud ) - (U out . pro. max . proud ) U out . pro. min . proud ·
*100
Je regulace zjištěná v ˇposledním bodu dobrá nebo špatná pro typické napájení? Srovnejte konfigurace obou obvodů a podejte vysvětlení.
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-2000 1 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-2000. 2. 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 R16 v sérii s vnitřním odporem PS-1 (jak bylo měřeno v úloze 5) představuje Theveninův ekvivalent odporu zdroje.
Obr. 1 6. Změřte napětí a proudy zatěžovacího potenciometru pro řadu hodnot, vytvořených otáčením potenciometru jak je uvedeno na Obr. 2. Vyměňte zkratovací propojku v sérii s R16 za miliampérmetr při měření Iout 7. Pro každé nastavení potenciometru vypočítejte zatěžovací odpor a výstupní výkon a výsledky zaznamenejte do Obr.2. OTÁČENÍ 0% 20% 40% 60% 80% 100%
Uout
Iout
R zátěže
Pout
Obr.2: Měření přenosu výkonu. 8. Do grafu na Obr.3 s odporem na vodorovné ose vyneste Uout, Iout a výstupní výkon Pout.
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?
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-2000 1 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:
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-2000. 2. Zapněte hlavní panel. 3. Jsou-li dostupná napětí proměnná, nastavte ± 12V. 4. Podle barevného značení rozlište a zaznamenejte hodnoty R7, R8 a R9. Potom změřte tři vstupní odpory v obvodu (A-B, A-C a B-C) R7 = ……………………..R8 = ……………………R9 = ………………………. R(A-B) = …………………R(A-C) = ……………………R(B-C) = ……………….
5. Nyní změřte a zaznamenejte odpory R10, R11 a R12 a odpor mezi výstupy v jejich obvodech R10 = ………………..R11 = ………………………R12 = ……………….. R(A´-B´) = …………………..R(A´-C´) = ……………..R(B´-C´) = …………………… OTÁZKY: ·
Použitím rovnic převodu trojúhelník na hvězdu převeďte R7, R8 a R9 na náhradní zapojení do hvězdy.
·
Použitím rovnic převodu hvězda na trojúhelník převeďte R10, R11 a R12 na náhradní zapojení do trojúhelníku.
·
Srovnejte výsledky výpočtů s experimentálně získaným měřením odporů mezi výstupy u každého obvodu.
