本科电路实验指导书电子版1.docx
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本科电路实验指导书电子版1
电路分析实验项目
实验一线性网络的叠加性和齐次性(验证性实验)
1.实验目的
(1)验证线性电路叠加定理的正确性。
(2)加深对线性电路的叠加性和齐次性的认识和理解。
(3)初步掌握测量误差分析方法。
2.实验设备与器材
实验所用设备与器材见表2.1。
表2.1实验2.1的设备与器材
序号
名称
型号与规格
数量
备注
1
直流可调稳压电源
0~30V
2路
2
万用表
1只
3
直流数字电压表
0~200V
1只
4
直流数字毫安表
0~200mV
1只
5
二极管
IN4007
1个
6
电阻器
若干
7
双掷开关
3个
3.实验电路与说明
叠加定理实验电路如图2.1所示。
图中弯曲线为电流表串入点。
(1)叠加定理
叠加定理指出:
在线性电路中,当有两个或两个以上的独立电源(电压源或电流源)作用时,则任一支路的电流或电压,都可以是电路中各个独立电源单独作用时在该支路中产生的各电流分量或电压分量的代数和。
(2)齐次性定理
由叠加定理推广得知:
当电路中只有一个激励(独立电源)时,响应与激励成正比。
即当激励信号(某独立源的值)增加或减少K倍时,电路的响应(即在电路其他各电阻元件上所建立的电流和电压值)也将增加或减少K倍。
(3)只有线性电路才具有叠加性和齐次性,对于非线性电路不具有这两个性质。
图2.1叠加定理实验电路
4.实验内容与步骤
(1)将两路稳压源的输出分别调节为12V和6V,接入U1和U2处。
(2)令U1电源单独作用(将开关S1投向U1侧,开关S2投向短路侧,开关S3投向电阻R5)。
用直流数字电压表和毫安表(接电流插头)测量各支路电流及各电阻元件两端的电压,数据记入表2.2中。
(3)令U2电源单独作用(将开关S1投向短路侧,开关S2投向U2侧),重复实验步骤2的测量和记录,数据记入表2.2中。
(4)令U1和U2共同作用(开关S1和S2分别投向U1和U2侧),重复上述的测量和记录,数据记入表2.2中。
表2.2叠加原理测量数据
测量项目
实验内容
U1
/V
U2
/V
I1
/mA
I2
/mA
I3
/mA
UAB
/V
UCD
/V
UAD
/V
UDE
/V
UFA
/V
U1单独作用
U2单独作用
U1、U2共同作用
2U2单独作用
(5)将U2的数值调至+12V,重复上述第(3)项的测量并记录,数据记入表2.2中。
(6)将R5(330Ω)换成二极管IN4007(即将开关S3投向二极管IN4007侧),重复
(1)~(5)步的测量过程,数据记入表2.3中。
表2.3接入二极管的测量数据
测量项目
实验内容
U1
/V
U2
/V
I1
/mA
I2
/mA
I3
/mA
UAB
/V
UCD
/V
UAD
/V
UDE
/V
UFA
/V
U1单独作用
U2单独作用
U1、U2共同作用
2U2单独作用
(7)开关S2投向短路侧(去掉U2电压源),将开关S1投向U1侧,开关S3投向R5电阻。
设定U1=12V,测量各支路电流及各电阻元件两端的电压,数据记入表2.4中。
设定U1=18V,
测量各支路电流及各电阻元件两端的电压,数据记入表2.4中。
表2.4齐次性定理的测量数据
测量项目
实验内容
U1
/V
U2
/V
I1
/mA
I2
/mA
I3
/mA
UAB
/V
UCD
/V
UAD
/V
UDE
/V
UFA
/V
U1=12V
U1=18V
5.实验总结与分析
(1)根据实验数据,进行分析、比较,归纳、总结实验结论,即验证线性电路的叠加性。
(2)各电阻器所消耗的功率能否用叠加原理计算得出?
试用上述实验数据,进行计算并作出结论。
(3)根据实验数据验证线性电路的齐次性。
(4)进行误差分析。
实验二线性有源二端网络等效参数测定(设计性实验)
1.实验目的
(1)初步掌握实验电路的设计思想和方法,能正确选择实验设备,利用自行设计的实验电路验证戴维南定理和诺顿定理;
(2)学习线性有源二端网络等效电路参数的测量方法;
(3)加深对戴维南定理和诺顿定理的理解;
(4)进一步熟悉直流稳压电源和数字万用表的使用方法。
2.实验设备与器材
实验所用设备与器材见表2.5。
表2.5实验2.2的设备与器材
序号
名称
型号与规格
数量
备注
1
直流可调稳压电源
0~30V
2路
2
万用表
1只
3
直流数字电压表
0~200V
1只
4
直流数字毫安表
0~200mA
1只
5
电阻箱
1台
6
电阻
若干
3.设计要求与提示
(1)设计要求
①根据实验室提供的器材确定实验方案,拟出每项实验任务中的具体线路,确定实验中所有电源的大小,测量网络的端口伏安特性曲线
。
②设计两种可行的实验方法测量有源二端网络开路电压UOC、短路电流ISC和等效电阻RO。
③根据上述所测量的最佳UOC、ISC和RO值,组成有源二端网络的等效实验电路(戴维南等效电路和诺顿等效电路),分别测量其端口伏安特性。
绘制曲线。
④预习要求:
掌握戴维南定理和诺顿定理的原理及应用,熟悉线性有源二端网络等效参数的测定方法。
(2)设计提示
对任一线性含源二端网络,如图2.2(a)所示,根据戴维南定理可以用图2.2(b)所示的电路来等效代替,根据诺顿定理,可以用图2.2(c)所示的电路来等效代替。
其等效条件是:
UOC是含源二端网络a、b两端的开路电压,电阻RO是把含源二端网络中所有独立源均置零(理想电压源视为短接,理想电流源视为开路)时的等效电阻。
ISC是含源二端网络a、b两端的短路电流。
UOC、ISC和RO的测量方法分别如图2.3(a)、(b)、(c)所示。
所谓等效,是指含源二端网络被等效电路替代后,对端口的外电路无影响,即外电路中的电流和电压仍保持替代前的数据不变。
如图2.2(a)、(b)、(c)的端口a、b两端均接上相同的负载,则各负载电流是相同的。
(a)原电路(b)戴维南等效电路(c)诺顿等效电路
图2.2等效原理电路
图2.3UOC、ISC和RO的测量方法
4.实验注意事项
(1)设计实验时尽量选择标准阻值的电阻;
(2)设计时要注意选择电源的大小,不要使电路中的电流超过电流表的量程和电阻允许通过值,造成仪器和元件的损坏。
5.实验总结与分析
(1)实验报告要求
①画出设计电路、拟出实验步骤、整理数据并分析误差;
②在同一坐标平面上作出有源二端网络等效前后的外特性曲线(原有源二端网络、戴维南等效电路和诺顿等效电路),并加以比较;
③说明本实验中你是如何设法减小仪表内阻对测量结果的影响。
(2)思考与总结
①在求有源二端网络等效电路中的RO时,如何理解“原网络中所有独立源置零”?
②什么情况下才可用欧姆表测量有源二端网络的等效电阻?
③设计总结。
实验三一阶电路三要素分析法(综合性实验)
1.实验目的
(1)掌握一阶电路三要素分析法的方法。
(2)学习一阶电路三要素的测量方法。
(3)得到一阶电路三要素后,正确写出一阶电路响应的表达式。
2.实验电路与说明
对于一阶电路,只要求得初始值
、稳态值
和时间常数
这三个要素,就可以直接写出一阶电路的完全解,而无需列写电路微分方程和求解微分方程。
这种利用“三要素”直接写出一阶电路响应的方法称为三要素法,又称计算一阶电路的“快速公式”。
三要素法可用于求解一阶电路中各个变量(电压和电流),可以写成一般形式为
(3.6)
式中,f(t)表示电路的求解变量(电压或电流);f(0+)表示求解变量的初始值;f(∞)表示求解变量的稳态值,它的计算方法是:
在换路后的电路中,将动态电容元件代之以开路,电感元件代之以短路,再按电阻电路分析方法求解即可;τ表示电路的时间常数,对于RC电路,
;对于RL电路,
,其中
应理解为在换路后的电路中,从储能元件两端看进去的戴维南等效电路中的等效电阻。
三要素法只适用于一阶电路,而不能用于二阶和高阶电路,并且式(3.6)只能用于无电源(储能元件有储能)的一阶电路和输入为直流电源的一阶电路。
3.实验内容与步骤
(1)测量RC一阶电路的三要素
①测量电容两端的初始电压值
在电子工作平台上建立如图3.16(a)所示的电路。
换路前(t<0)开关S与“1”端接通。
换路前电路己稳定,这时直流电压表的读数就是电容两端的初始电压值
。
②测量电容两端的稳态电压值
t=0时换路,即开关S与“2”端接通。
换路后的电路如图3.16(b)所示。
当电路稳定后,这时直流电压表的读数就是电容两端的稳态电压值
。
③测量电路的等效内阻R0,并求时间常数
把图3.16(b)所示电路中电压源用短路线替代,断开电容,在ab端接上万用表,电路如图3.16(c)所示。
这时万用表的读数就是电路的等效内阻R0。
其时间常数
。
④电路响应
的表达式
由上述三步测得图3.16(a)电路的三要素后,由式(3.6)写出电路响应
的表达式为
图3.16测量RC电路的三要素
(2)测量一阶RL电路的三要素
①测量电感的初始电流值
在电子工作平台上建立如图3.17(a)所示的电路。
换路前(t<0)开关S与“1”端接通。
换路前电路己稳定,这时直流电流表的读数就是电感的初始电流值
。
②测量电感的稳态电流值
t=0时换路,即开关S与“2”端接通。
换路后的电路如图3.17(b)所示。
当电路稳定后,这时直流电流表的读数就是电感的稳态电流值
。
③测量电路的等效内阻R0,并求时间常数
把图3.17(a)所示电路中电压源用短路线替代,断开电感,在ab端接上万用表,电路如图3.17(c)所示。
这时万用表的读数就是电路的等效内阻R0。
其时间常数
。
④写出电路响应
的表达式
图3.17测量RL电路的三要素
由上述三步测得图8.38(a)电路的三要素后,由式(3.6)写出电路响应
的表达式如下:
(3)测量一阶RC、RL电路的波形
①测量一阶RC电路的波形
测量一阶RC电路的波形的电路如图3.18(a)所示。
单击仿真电源开关,激活电路进行动态分析。
当t=0时(开关S由1端转向2端瞬间)换路。
观察示波器显示的
波形,并把
波形保存下来。
②测量一阶RL电路的波形
测量一阶RL电路的波形的电路如图3.18(b)所示。
单击仿真电源开关,激活电路进行动态分析。
当t=0时(开关S由1端转向2端瞬间)换路。
观察示波器显示的iL(t)波形,并把iL(t)波形保存下来。
图3.18测量RC、RL电路的波形
4.实验总结与分析
(1)分别计算图3.18(a)、(b)所示一阶RC、RL电路的三要素。
(2)把一阶RC、RL电路的三要素的计算值与测量值进行比较,分别计算它们的相对误差,并分析产生误差的原因。
(3)分别写出
和
的表达式。
(4)用计算机打印
和
的波形。
实验四日光灯电路及功率因数的提高(设计性实验)
1.实验目的
(1)通过实验设计,掌握日光灯电路的工作原理和接线方法。
(2)解决一个实际问题:
感性负载功率因数的提高方法,理解提高功率因数的意义。
(3)通过实验,能深刻理解交流电路中电压、电流的相位关系。
(4)学习功率表的使用方法。
(5)初步掌握实验设计的基本方法。
2.实验设备与器材
实验所用设备与器材见表2.13。
表2.13实验2.9的设备与器材
序号
名称
型号与规格
数量
备注
1
交流安培表
D26-A
3只
2
数字万用表
1只
3
交流伏特表
D26—V
1只
4
日光灯管、启辉器、镇流器
各1个
5
低功率因数功率表
D39—W
1只
6
开关
2个
3.设计要求与提示
(1)设计要求
①本实验以日光灯电路作为感性负载,要求电路的功率因数由0.4左右提高到0.8左右,并计算相应的元件参数,拟出实验步骤,设计具体实验线路和记录表格,选择适当的仪表测量电路端电压、灯管电压、镇流器电压、电路各支路电流以及电路总功率(15W左右)。
并根据所测数据算出日光灯电路的功率因数
、等效电抗X、镇流器的等效电阻R及等效电感L值、镇流器的铁耗和铜耗。
②预习要求:
预习有关理论,写出实验方案、步骤,画出实验电路图,列出数据记录表格,根据实验室所提供的仪器和设备,列出表格,写明自选各仪器仪表、设备的名称、型号、规格、数量等。
(2)设计提示
①日光灯电路原理
日光灯电路如图2.26所示,由灯管、镇流器和启辉器(启动器)三部分组成。
灯管为一根均匀涂有荧光物质的玻璃管,管内充有少量水银蒸气和惰性气体,灯管两端装有灯丝电极。
镇流器为一个铁心线圈,其作用是日光灯启辉时,产生高压将灯管点亮;在日光灯管工作时,限制电流。
启辉器是一个充有氖气的玻璃泡,并装有两个电极(双金属片和定片)。
灯管在工作时,可以认为是一个电阻负载。
镇流器是一个铁心线圈,可以认为是一个电感很大的感性负载。
二者串联构成一个RL串联电路。
当接通电源后,启辉器内双金属片与定片之间的气隙被击穿,连续发生火花,使双金属片受热伸张而与定片接触,于是灯管的灯丝接通。
灯丝遇热后发射电子,这时双金属片逐渐冷却而与定片分开。
镇流器线圈因灯丝电路突然断开而感应出很高的感应电动势,它和电源电压串联加到灯管的两端,使管内气体电离产生光放电而发光。
这时,启辉器停止工作。
电源电压大部分降在镇流器上,镇流器起降压限流作用,30W或40W的灯管点燃后的管压降仅100V左右。
图2.26日光灯电路图2.27等效电路
镇流器是一个铁心线圈,可用一个无铁心的电感和电阻串联成的电路来等效,如图2.27中虚线框所示。
镇流器在工作时,它有两部分功率的损耗,一部分是线圈电阻
的损耗(铜耗):
;另一部分是铁心损耗
(铁耗)。
用等效电阻r的功率损耗代替这两部分损耗,即
则镇流器的等效感抗为
式中:
L为等效电感,
;
;
;
为镇流器的端电压。
所以,就整个日光灯电路来讲,可以用图2.27的等效串联电路来表示,其中R为灯管的等效电阻。
电路所消耗的功率为:
为电路的功率因数。
上式又可以写成
因此,测出电路的电压、电流和功率的数值后,即可求得电路的功率因数
之值。
功率因数较低的感性负载,并联适量的电容器可以提高电路的功率因数。
当功率因数等于1时,电路呈现并联谐振,这时,电路的总电流最小。
假定功率因数从
提高到
,所需并联电容器的电容值可按下式计算:
式中,P为电路所消耗的功率(W)。
②在这个实验中,用日光灯电路模拟RL串联电路,用并联电容的方法可以提高电路的功率因数。
但实际日光灯的电压波形不是正弦波,若按正弦交流电路估算,误差较大,且不能用万用表交流电压档测量其电压。
4.实验注意事项
(1)正确使用仪表,注意仪表的量程。
(2)镇流器不能短路,否则将导致灯管损坏。
(3)安全用电,接通电源后,手切勿接触金属裸露部分。
(4)实验线路设计完后,需经老师检查同意,才能实验。
5.实验总结与分析
(1)实验报告要求
①将自拟的实验步骤、实验线路和表格按要求写在报告上,并整理实验数据。
②对实验结果出现的误差进行分析和讨论。
(2)思考与总结
①试叙述日光灯电路原理。
②提高电路功率因数的方法是什么?
如何计算电容值?
③设计总结。
实验五
(1)三相交流电路电压、电流的测量(综合性实验)
1.实验目的
(1)掌握三相负载作星形连接、三角形连接的方法,验证这两种接法的线、相电压及线、相电流之间的关系。
(2)充分理解三相四线供电系统中中线的作用。
2.实验设备与器材
实验所用设备与器材见表2.22。
表2.22实验2.13的设备与器材
序号
名称
型号与规格
数量
备注
2
交流电流表
0~300mA
4只
3
数字万用表
1只
4
三相自耦调压器
1台
5
三相灯组负载
220V,15W白炽灯
9只
3.实验电路与说明
(1)三相负载可接成星形(又称Y形)或三角形(又称△形)。
当三相对称负载作Y形连接时,线电压
是相电压
的
倍。
线电流
等于相电流
,即
=
,
在这种情况下,流过中线的电流I0=0,所以可以省去中线。
当对称三相负载作△形连接时,有
=
,
=
。
(2)不对称三相负载作Y形连接时,必须采用三相四线制接法,即Yo形连接法。
而且中线必须牢固连接,以保证三相不对称负载的每相电压维持对称不变。
倘若中线断开,会导致三相负载电压的不对称,致使负载轻的那一相的相电压过高,使负载遭受损坏;负载重的一相相电压又过低,使负载不能正常工作。
尤其是对于三相照明负载,无条件地一律采用星形(三相四线制)接法。
(3)当不对称负载作△形连接时,
≠
,但只要电源的线电压
对称,加在三相负载上的电压仍是对称的,对各相负载工作没有影响。
(4)三相负载星形连接(三相四线制供电)
按图2.42组接实验电路,即三相灯组负载经三相自耦调压器接通三相对称电源。
将三相调压器的旋柄置于输出为0V的位置(即逆时针旋到底)。
经指导教师检查合格后,方可开启实验台电源,然后调节调压器的输出,使输出的三相线电压为380V。
图2.42三相负载星形连接
(5)三相负载三角形连接(三相三线制供电)
按图2.43改接线路,并调节调压器,使其输出线电压为220V。
图2.43三相负载三角形连接
4.实验内容与步骤
(1)三相负载星形连接的电压、电流测量
实验电路如图2.42所示,分别测量三相负载的线电压、相电压、线电流、相电流、中线电流、电源与负载中点间的电压。
将所测得的数据记入表2.23中,并观察各相灯组亮暗的变化程度,特别要注意观察中线的作用。
表2.23三相负载星形连接的电压、电流测量数据
测量数据
实验内容
(负载情况)
开灯盏数
线电流/A
线电压/V
相电压/V
中线电流I0
/A
中点电压UN0
/V
A
相
B
相
C
相
IA
IB
IC
UAB
UBC
UCA
UA0
UB0
UC0
有中线平衡负载
3
3
3
无中线平衡负载
3
3
3
有中线不平衡负载
1
2
3
无中线不平衡负载
1
2
3
有中线B相断开
1
3
无中线B相断开
1
3
无中线B相短路
1
3
(2)三相负载三角形连接的电压、电流测量
实验电路如图2.43所示,经指导教师检查合格后接通三相电源,按表2.24的内容设计并进行测试。
表2.24三相负载星形连接的电压、电流测量数据
测量数据
负载情况
开灯盏数
线电压=相电压/V
线电流/A
相电流/A
A-B相
B-C相
C-A相
UAB
UBC
UCA
IA
IB
IC
IAB
IBC
ICA
三相平衡
3
3
3
三相不平衡
1
2
3
在实验过程中,应注意如下几点:
①本实验采用三相交流市电,线电压为380V,应穿绝缘鞋进实验室。
实验时要注意人身安全,不可触及导电部件,防止意外事故发生。
②每次接线完毕,同组同学应自查一遍,然后由指导教师检查后,方可接通电源,必须严格遵守先断电、再接线、后通电;先断电、后拆线的实验操作原则。
③星形负载作短路实验时,必须首先断开中线,以免发生短路事故。
5.实验总结与分析
(1)用实验测得的数据验证对称三相电路中线电压(电流)与相电压(电流)的关系。
(2)用实验数据和观察到的现象,总结三相四线供电系统中中线的作用。
(3)根据不对称负载三角形连接时的相电流值作相量图,并求出线电流值,然后与实验测得的线电流作比较,并进行分析。
(4)回答以下问题:
①本次实验中为什么要通过三相调压器将380V的市电线电压降为220V的线电压使用?
②不对称三角形连接的负载能否正常工作?
实验是否能证明这一点?
实验五
(2)对称三相负载中的功率测量(综合性实验)
1.实验目的
(1)学习用一瓦计法和两瓦计法测量三相电路的有功功率。
(2)了解测量三相对称电路无功功率的方法。
2.实验设备与器材
实验所用设备与器材见表2.25。
表2.25实验2.14的设备与器材
序号
名称
型号与规格
数量
备注
1
三相对称电源
1台
2
交流电流表
0~500mA
1只
3
数字万用表
1只
4
三相自耦调压器
1台
5
三相灯组负载
220V,15W白炽灯
6个
6
单相功率表
2台
3.实验电路与说明
(1)对于三相四线制供电的三相星形连接的负载,可用一只功率表测量各相的有功功率PA、PB、PC(功率表的电压线圈接在火线和中线之间),三相功率之和(∑P=PA+PB+PC)即为三相负载的总有功功率值(所谓的一瓦计法就是用一只单相功率表去分别测量各相的有功功率)。
若三相负载是对称的,则只需测量一相的功率即可,该相功率乘以3即得三相总的有功功率。
(2)在三相三线制电路中,不论负载对称与否,也不论负载是星形连接还是三角形连接,通常用两只功率表测量三相功率,故称两瓦计法。
如图2.44所示,三相负载所消耗的总率P为两只功率表读数的代数和,即
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