电路分析基础实验讲义完稿

1 实验一实验一 基本电工仪表的使用与测量误差的计算基本电工仪表的使用与测量误差的计算 一 实验目的一 实验目的 1 熟悉实验装置上各类测量仪表的布局 2 熟悉实验装置上各类电源的布局及使用方法 3 掌握电压表 电流表内电阻的测量方法 4 熟悉电工仪表测量误差的计算方法 二 原理说明二 原理说明 1 为了准确地测量电路中实际的电压和电流 必须保证仪表接入电路后不会改变被测电路的 工作状态 这就要求电压表的内阻为无穷大 电流表的内阻为零 而实际使用的电工仪表都不能满 足上述要求 因此 当测量仪表一旦接入电路 就会改变电路原有的工作状态 这就导致仪表的读 数值与电路原有的实际值之间出现误差 这种测量误差值的大小与仪表本身内阻值的大小密切相关 2 本实验测量电流表的内阻采用 分流法 如图 1 1 所示 A 为被测内阻 RA R 的直流电流表 测量时先断开开关 S 调节直流恒流源的输出电流 I 使 A 表指针满偏转 然后合上开 关 S 并保持 I 值不变 调节电阻箱 RB的阻值 使电流表的指针在 1 2 满偏转位置 此时有 IA IS 2 I RA RB R1 R1为固定电阻器之值 RB由可调电阻箱的刻度盘上读得 R1与 RB并联 且 R1选用小阻值电阻 RB选用较大电阻 则阻值 调节可比单只电阻箱更为细微 平滑 图 1 1 3 测量电压表的内阻采用 分压法 如图 1 2 所示 图 1 2 图 1 3 V 为被测内阻 RV 的电压表 测量时先将开关 S 闭合 调节直流稳压电源的输出电压 使 电压表 V 的指针为满偏转 然后断开开关 S 调节 RB阻值使电压表 V 的指示值减半 此时有 RV RB R1 电压表的灵敏度为 S RV U V 4 仪表内阻引入的测量误差 通常称为方法误差 而仪表本身构造上引起的误差称为仪表基 本误差 的计算 以图 1 3 所示电路为例 R1上的电压为 2 UK1 U 若 R1 R2 则 UK1 U 2 1 RR R V 2 1 现用一内阻为 RV的电压表来测量 UR1值 当 RV与 R1并联后 RAB 以此来替代 1 1 RR RR V V 上式中的 R1 则得 U R1 U R RR RR RR RR V V V V 2 1 1 1 1 绝对误差为 U U R1 UR1 U 2 1 1 1 1 R RR RR RR RR V V V V 2 1 RR R V 化简后得 U 2121 2 221 2 1 2 2 1 2RRRRRRRRR URR V 若 R1 R2 RV 则得 U 6 U 相对误差 U 100 100 33 3 1 1 1 R RR U UU 2 6 U U 三 实验设备三 实验设备 序号名 称型号与规格数 量备 注 1可调直流稳压电源 0 30V 1 2可调直流恒流源 0 200mA 1 3万用电表 FM 47 或其他 1 4可调电阻箱 0 99999 9 1PEE 04 5电 阻 器若干PEE 04 四 实验内容四 实验内容 1 根据 分流法 原理测定 FM 47 型 或其它型号 万用电表直流毫安 0 5mA 和 5mA 档量 限的内阻 线路如图 1 1 所示 被测量电流表量 限 S 断开时表读数 mA S 闭合时表读数 mA RS R1 计算内阻 RA 0 5mA 5mA 2 根据 分压法 原理按图书馆 1 2 接线 测定万用电表直流电压 2 5V 和 10V 档量限的内阻 3 被测量电流 表量限 S 断开时表 读数 V S 闭合时表 读数 V RS K R1 K 计算内阻 RA K S V 2 5mA 10mA 3 用万用电表直流电压 10V 档量限测量图 1 3 电路中 R1上的电压 UR1之值 并计算测量的绝 对误差与相对误差 UR2R1 R10V K 计算值 UR1 V 实测值 U R1 V 绝对误差相对误差 10V 10K 20K 五 实验注意事项五 实验注意事项 1 控制屏提供所有实验的电源 直流稳压源和直流恒流源均可通过粗调 分段调 旋钮和细 调 连续调 旋钮调节其输出量 并由数字式电压表和毫安表显示其输出量的大小 启动实验装置 电源之前 应使其输出旋钮置于零位 实验时再缓慢地增 减输出 2 稳压源的输出不允许短路 恒流源的输出不允许开路 3 电压表应与电路并联使用 电流表与电路串联使用 并且都要注意极性与量限的合理选择 六 预习思考题六 预习思考题 1 根据实验内容 1 和 2 若已求出 0 5mA 档和 2 5V 档的内阻 可否直接计算得出 5mA 档和 10V 档的内阻 2 用量限为 10A 的电流表测实际值为 8 的电流时 实际读数为 8 1A 求测量的绝对误差和相 对误差 3 如图 1 4 a b 为伏安法测量电阻的两种电路 被测电阻的实际阻值为 RX 电压表的 内阻为 RV 电流表的内阻为 RA 求两种电路测量电阻 RX的相对误差 a b 图 1 4 七 实验报告七 实验报告 1 列表记录实验数据 并计算各被测仪表的内阻值 2 计算实验内容 3 的绝对误差与相对误差 3 对思考题的计算 4 心得体会及其它 4 实验二实验二 电路元件伏安特性的测绘电路元件伏安特性的测绘 一 实验目的一 实验目的 1 学会识别常用电路元件的方法 2 掌握线性电阻 非线性电阻元件伏安特性的逐点测试法 3 掌握实验装置上直流电工仪表和设备的使用方法 二 实验原理二 实验原理 任一个二端元件 它的端电压 U 与通过该元件的电流 I 之间的函数关系 称为该元件的伏安特 性 如果将这种关系表示在 I U 平面上 则称为伏安特性曲线 通过一定的测量电路 用电压表 电流表可测定元件的伏安特性 由测得的伏安特性可了解该元件的性质 通过测量得到元件伏安特 性的方法称为伏安测量法 简称伏安法 1 线性电阻元件的伏安特性满足欧姆定律 阻值是一个常数 其伏安特性曲线是一条通过坐 标原点的直线 如图 2 1 中 a 曲线所示 电阻值可由直线的斜率的倒数来确定 即 IUR 图 2 1 2 一般的白炽灯在工作时灯丝处于高温状态 其灯丝电阻随着温度的升高而增大 通过白炽 灯的电流越大 其温度越高 阻值也越大 一般灯泡的 冷电阻 与 热电阻 的阻值可相差几倍 所以它的伏安特性如图 2 1 中 b 曲线所示 3 一般的半导体二极管是一个不满足欧姆定律的非线性电阻元件 阻值不是一个常数 其伏 安特性是一条过坐标原点的曲线 如图 2 1 中 c 曲线所示 由图可见 半导体二极管的正向电压很 小 正向电流随正向电压的升高而急聚上升 因而电阻值很小 反之 电阻值很大 可见 二极 管具有单向导电性 但反向电压加得过高 超过管子的极限值 则会导致管子击穿损坏 4 稳压二极管是一种特殊的半导体二极管 其正向特性与普通二极管类似 但其反向特性特 别 如图 2 1 中 d 曲线 在反向电压开始增加时 其反向电流几乎为零 但当反向电压增加到某一 数值时 称为管子的稳压值 有各种不同稳压值的稳压管 电流将突然增加 以后它的端电压将维 持恒定 不再随外加的反向电压升高而增大 三 实验设备三 实验设备 5 序号名 称型号与规格数量备注 1 可调直流稳压电源0 30V 1 2 直流数字毫安表 1 3 直流数字电压表 1 4 二 极 管 2CP151PEE 04 5 稳 压 管 2CW511PEE 04 6 白炽灯泡 12V 0 1A1PEE 04 7 线性电阻200 1K 1PEE 04 四 实验内容及步骤四 实验内容及步骤 1 测定线性电阻器的伏安特性 按图 2 2 接线 经检查无误后 调节直流稳压电源的输出电压 Us 使电压表读数分别为表格 中所列数值 并将测量所得对应的电流值记录于表格中 U v 0246810 I mA 图 2 2 图 2 3 2 测定非线性白炽灯泡的伏安特性 将图 2 2 中的 RL换成一只 12V 的小灯泡 重复 1 的步骤 U v 0246810 I mA 3 测定半导体二极管的伏安特性 1 正向特性 按图 2 3 接线 二极管 D 的正向电流不得超过 25mA R 为限流电阻 用以保护二极管 经检 查无误后 调节直流稳压电源的输出电压 US 使电压表读数分别为表格中所列数值 特别是在 0 5V 0 75V 之间应多取几个测量点 对于每一个电压值测量出对应的电流值 记入表格中 测二极管 D 的正向特性时 其正向电流不得超过 25mA 正向压降可在 0 0 75V 之间取值 特别是在 0 5 0 75 之间更应多取几个测量点 作反向特性实验时 只需将图 2 3 中的二极管 D 反 接 且其反向电压可加到 30V 左右 正向特性实验数据 U v 00 20 40 50 55 0 75 I mA 2 反向特性 6 将图 2 3 中的二极管 D 反接连线即可 经检查无误后 调节直流稳压电源的输出电压 US 使 电压表读数分别为表格中所列数值 并将测量所得相应的电流值记入表格中 反向特性实验数据 U v 0 5 10 15 20 25 30 I mA 4 测定稳压二极管的伏安特性 只要将图 2 3 中的二极管换成稳压二极管 重复实验内容 3 的测量 正向特性实验数据 U v 00 20 40 50 55 0 75 I mA 反向特性实验数据 U v 0 5 10 15 20 25 30 I mA 五 实验报告要求五 实验报告要求 1 根据各实验结果数据 分别在坐标纸上绘制出光滑的伏安特性曲线 其中二极管和稳压管 的正 反向特性性均要求画在同一张图中 正反向电压可取为不同的比例尺 2 根据实验结果 总结 归纳被测各元件的特性 六 注意事项六 注意事项 1 具体实验前 应先估算电压和电流值 合理选择仪表量程 勿使仪表超量程或正负极性接 错 2 测二极管正向特性时 稳压电源输出应由小至大逐渐增加 应时刻注意电流表读数不得超 过 25mA 稳压源输出端切勿碰线短路 7 实验三实验三 基尔霍夫定律基尔霍夫定律 一 实验目的一 实验目的 1 验证基尔霍夫定律的正确性 加深对基尔霍夫定律的理解 2 学会用电流插头 插座测量各支路电流的方法 二 原理说明二 原理说明 基尔霍夫定律是电路的基本定律 测量某电路的各支路电流及多个元件两端的电压 应能分别 满足基尔霍夫电流定律和电压定律 即对电路中的任一个节点而言 应有 I 0 对任何一个闭合 回路而言 应有 U 0 运用上述定律时必须注意电流的正方向 此方向可预先任意设定 三 实验设备三 实验设备 序号名 称型号与规格数量备 注 1直流稳压电源 6V 12V 切换1 2可调直流稳压电源0 30V1 3万用电表1 4直流数字电压表1 5直流数字毫安表1 6电位 电压测定实验线路板1PEE 02 四 实验内容四 实验内容 实验线路如图 3 1 所示 图 3 1 1 实验前先任意设定三条支路的电流参考方向 如图中的 I1 I2 I3所示 2 分别将两路直流稳压电源 一路如 E1为 6 12 切换电源 另一路 如 E2为 0 30V 可调 直流稳压源 接入电路 令 E1 6V E2 12V 3 熟悉电流插头的结构 将电流插头的两端接到直流数字毫安表的 两端 4 将电流插头分别插入三条支路的三个电流插座中 记录电流值 8 5 用直流数字电压表分别测量两路电源及电阻元件上电压值 记录之 被测量 I1 mA I2 mA I3 mA E1 v E2 v UFA v UAB v UAD v UCD v UDE v 计算值 测量值 相对误差 五 实验注意事项五 实验注意事项 1 所有需要测量的电压值 均以电压表测量读数为准 不以电源表盘指示值为准 2 防止电源两端碰线短路 3 若用指针式电流表进行测量时 要识别电流插头所接电流表 极性 倘若不换接 极性 则电表指针可能反偏 电流为负值时 此时必须调换电流表极性 重新测量 此时指针正 偏 但读得的电流值必须冠以负号 六 预习思考题六 预习思考题 1 根据图 3 1 的电路参数 计算出待测电流 I1 I2 I3和各电阻上电压值 记入表中 以便实 验测量时 可正确选定毫安表和电压表的量程 2 实验中 若用万用电表直流毫安档测各支路电流 什么情况下可能出现毫安表指针反偏 应如何处理 在记录数据时应注意什么 若用直流数字毫安表进行测量时 则会有什么显示呢 七 实验报告七 实验报告 1 根据实验数据 选定实验电路中的任一个节点 验证 KCL 的正确性 2 根据实验数据 选定实验电路中的任一个闭合回路 验证 KVL 的正确性 3 误差原因分析 4 心得体会及其它 9 实验四实验四 叠加定理叠加定理 一 实验目的一 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 二 实验原理二 实验原理 叠加定理适用于线性电路 为了测量方便 我们用直流电路来验证它 叠加定理可简述如下 在线性电路中 任一支路中的电流 或电压 等于电路中各个独立源分别单独作用时在该支 路中产生的电流 或电压 代数和 所谓一个电源单独作用是指除了该电源外其他所有电源的作用都去掉 即理想电压源所在处用 短路代替 理想电流源所在处用开路代替 但保留它们的内阻 电路结构也不作改变 线性电路的齐次性是指当激励信号 某独立源的值 增加或减小 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 也将增加或减小 K 倍 三 实验设备三 实验设备 序号名 称型号与规格数 量备 注 1直流稳压电源 6V 12V 切换1 2可调直流稳压电源0 30V1 3直流数字电压表1 4直流数字毫安表1 5迭加原理实验线路板1PEE 02 四 实验内容及步骤四 实验内容及步骤 1 按图 4 1 电路接线 E1为 6 12V 切换电源 取 E1 6V E2为可调直流稳压电源 调至 12V 2 令 E1电源单独作用时 将开关 S1投向 E1侧 开关 S2投向短路侧 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电压 数据记入表格中 图 4 1 10 测量项目 实验内容 E1 v E2 v I1 mA I2 mA I3 mA UAB v UCD v UAD v UDE v UFA v E1单独作用 E2单独作用 E1 E2共同 作用 2E2单独作用 3 令 E2电源单独作用时 将开关 S1投向短路侧 开关 S2投向 E2侧 重复实验步骤 2 的测 量和记录 4 令 E1和 E2共同作用时 开关 S1和 S2分别投向 E1和 E2侧 重复上述的测量和记录 5 将 E1的数值调至 12V 重复上述第 3 项的测量并记录 6 将 R5换成一只二极管 IN4007 即将开关 S3投向二极管 D 侧 重复 1 5 的测量过程 数 据记入表格中 测量项目 实验内容 E1 v E2 v I1 mA I2 mA I3 mA UAB v UCD v UAD v UDE v UFA v E1单独作用 E2单独作用 E1 E2共同 作用 2E2单独作用 五 实验报告要求五 实验报告要求 1 根据实验数据验证线性电路的叠加性与齐次性 2 通过实验步骤 6 及分析表格中数据你能得出什么样的结论 六 注意事项六 注意事项 1 用电流插头测量各支路电流时 应注意仪表的极性 及数据表格中 号的记录 2 注意仪表量程的及时更换 11 实验五实验五 电压源与电流源的等效变换电压源与电流源的等效变换 一 实验目的一 实验目的 1 掌握电源外特性的测试方法 2 验证电压源与电流源等效变换的条件 二 原理说明二 原理说明 1 一个直流稳压电源在一定的电流范围内 具有很小的内阻 故在实用中 常将它视为一个 理想的电压源 即其输出电压不随负载电流而变 其外特性 即其伏安特性 U f I 是一条平行 于 I 轴的直线 一个恒流源在实用中 在一定的电压范围内 可视为一个理想的电流源 即其输出电流不随负 载的改变而变 图 7 1 为理想电压源 理想电流源电路图 图 5 1 2 一个实际的电压源 或电流源 其端电压 或输出电流 不可能不随负载而变 因为它具 有一定的内阻值 故在实验中 用一个小阻值的电阻 或大电阻 与理想电压源 或理想电流源 相串联 或并联 来摸拟一个电压源 或电流源 的情况 3 一个实际的电源 就其外部特性而言 即可以看成是一个电压源 又可以看成是一个电流 源 若视为电压源 则可用一个理想的电压源 ES与一个电阻 Ro 相串联的组合来表示 若视为电流 源 则可用一个理想电流源 IS与一电导 go 相并联的组合来表示 若它们向同样大小的负载供出同 样大小的电流和端电压 则称这两个电源是等效的 即具有相同的外特性 一个电压源与一个电流源等效变换的条件为 IS go O S R E O R 1 或 ES Ro O S g I O g 1 如图 5 2 所示 12 图 5 2 三 实验设备三 实验设备 序号名 称型号与规格数量备 注 1直流稳压电源 6 12V 切换1 2可调直流恒流源0 200mA1 3直流数字电压表1 4直流数字毫安表电阻器1 5电阻器 51 1K 200 PEE 04 6可调电阻箱0 99999 9 1PEE 04 四 实验内容四 实验内容 1 测定电压源的外特性 1 按图 5 3 a 接线 ES为 6V 直流稳压电源 视为理想电压源 RL为可调电阻箱 调节 RL阻值 记录电压表和电流表读数 RL 200015001000800500300200 U v I mA 2 按图 5 3 b 接线 虚线框可模拟为一个实验的电压源 调节 RL阻值 记录两表读 数 a b 图 5 3 RL 200015001000800500300200 U v I mA 2 测定电流源的外特性 按图 5 4 接线 IS为直流恒流源 视为理想电流源 调节其输出为 5mA 令 Ro 分别 1K 和 调节 RL阻值 记录这两种情况下的电压表和电流表的读数 13 图 5 4 Ro 1K RL 0200600800100020005000 I mA U v Ro RL 0200400600800100020005000 I mA U v 3 测定电源等效变换的条件 a b 图 5 5 按图 5 5 线路接线 首先读取 7 5 a 线路两表的读数 然后调节 5 5 b 线路中恒流源 IS 取 R Ro 令两表的读数与 5 5 a 的数值相等 记录 IS之值 验证等效变换条件的正确性 o 五 实验注意事项五 实验注意事项 1 在测试电压源外特性时 不要忘记测空载时的电压值 在改变负载时 不容许负载短路 测试电流源外特性时 不要忘记测短路时的电流值 在改变负载时 不容许负载开路 2 换接线路时 必须关闭电源开关 3 直流仪表的接入应注意极性与量程 六 预习思考题六 预习思考题 1 分析理想电压源和电压源 理想电流源和电流源 输出端发生短路 开路 情况时 对电 源的影响 2 电压源与电流源的外特性为什么呈下降变化趋势 理想电压源和理想电流源的输出在任何 负载下是否保持恒值 七 实验报告七 实验报告 1 根据实验数据绘出电源的四条外特性 并总结 归纳各类电源的特性 2 从实验结果 验证电源等效变换的条件 3 心得体会及其他 14 实验六实验六 戴维南定理戴维南定理 一 实验目的一 实验目的 1 验证戴维南定理的正确性 2 掌握测量有源二端网络等效参数的一般方法 二 原理说明二 原理说明 1 任何一个线性含源网络 如果仅研究其中一条支路的电压和电流 则可将电路的其余部分 看作是一个有源二端网络 或称为含源一端口网络 戴维南定理指出 任何一个线性有源网络 总可以用一个等效电压源来代替 此电压源的电动 势 ES等于这个有源二端网络的开路电压 Uoc 其等效内阻 Ro 等于该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 Uoc 和 Ro 称为有源二端网络的等效参数 2 有源二端网络等效参数的测量方法 1 开路电压 短路电流法 在有源二端网络输出端开路时 用电压表直接测其输出端的开路电压 Uoc 然后再将其输出端 短路 用电流表测其短路电流 Isc 则内阻为 Ro SC OC I U 2 伏安法 用电压表 电流表测出有源二端网络的外特性如图 6 1 所示 根据外特性曲线求出斜率 tg 则内阻 Ro tg I U SC OC I U 用伏安法 主要是测量开路电压及电流为额定值 IN时输出端电压值 UN 则内阻为 Ro N NOC I UU 若二端网络的内阻值很低时 则不宜测其短路电流 图 6 1 图 6 2 3 半电压法 如图 6 2 所示 当负载电压为被测网络开路电压一半时 负载电阻 由电阻箱的读数确定 即 为被测二端网络的等效内阻值 4 零示法 在测量具有高内阻有源二端网络的开路电压时 用电压表进行直接测量会造成较大的误差 为 15 了消除电压表内阻的影响 往往采用零示测量法 如图 6 3 所示 图 6 3 零示法测量原理是用一低内阻的稳压电源与被测有源二端网络进行比较 当稳压电源的输出电 压与有源二端网络的开路电压相等时 电压表的读数将为 0 然后将电路断开 测量此时稳压电 源的输出电压 即为被测有源二端网络的开路电压 三 实验设备三 实验设备 序号名 称型号与规格数量备 注 1可调直流稳压电源0 30V1 2可调直流恒流源0 200mA1 3直流数字电压表1 4直流数字毫安表1 5万用电表1 6可调电阻箱0 99999 9 1PEE 04 7电 位 器 1K 1W 1PEE 04 8戴维南定理实验线路板1PEE 02 四 实验内容四 实验内容 被测有源二端网络如图表 6 4 a 所示 a b 图 6 4 1 用开路电压 短路电流法测定戴维南等效电路的 Uoc 和 Ro 按图 6 4 a 电路接入稳压电源 ES和恒流源 IS及可变电阻箱 RL 测定 Uoc 和 Ro Uoc v ISC mA Ro Uoc ISC 16 2 负载实验 按图 6 4 a 改变 RL阻值 测量有源二端网络的外特性 RL 0 U v I mA 3 验证戴维南定理 用一只 1K 的电位器 将其阻调整到等于按步骤 1 所得的等效电阻 Ro 之值 然后令其与 直流稳压电源 调到步骤 1 时所测得的开路电压 Uoc 之值 相串联 如图 6 4 b 所示 仿照 步骤 2 测其外特性 对戴氏定理进行验证 RL 0 U v I mA 4 测定有源二端网络等效电阻 又称入端电阻 的其它方法 将被测有源网络内的所有独立 源置零 将电流源 IS断开 去掉电压源 并在原电压端所接的两点用一根短路导线相连 然后用 伏安法或者直接用万用电表的欧姆档去测定负载 RL开路后输出端两点间的电阻 此即为被测网络 的等效内阻 Ro 或称网络的入端电阻 Ri 5 用半电压法和零示法测量被测网络的等效内阻 Ro 及其开路电压 Uoc 线路及数据表格自拟 五 实验注意事项五 实验注意事项 1 注意测量时 电流表量程的更换 2 步骤 4 中 电源置零时不可将稳压源短接 3 用万用电表直接测 Ro 时 网络内的独立源必须先置零 以免损坏万用表 其次 欧姆档必 须经调零后再进行测量 4 改接线路时 要关掉电源 六 预习思考题六 预习思考题 1 在求戴维南等效电路时 作短路实验 测 ISC的条件是什么 在本实验中可否直接作负载 短路实验 请实验前对线路 6 4 a 预先作好计算 以便调整实验线路及测量时可准确地选取电表 的量程 2 说明测有源二端网络开路电压及等效内阻的几种方法 并比较其优缺点 七 实验报告七 实验报告 1 根据步骤 2 和 3 分别绘出曲线 验证戴维南定理的正确性 并分析产生误差的原因 2 根据步骤 1 4 5 各种方法测得的 Uoc 与 Ro 与预习时电路计算的结果作比较 你能得出 什么结论 3 归纳 总结实验结果 4 心得体会及其他 17 实验七实验七 单相交流电路电量的测量及功率因数的提高单相交流电路电量的测量及功率因数的提高 一 实验目的一 实验目的 1 研究正弦稳态交流电路中电压 电流相量之间的关系 2 掌握日光灯线路的接线 3 掌握功率表的接线方法 4 理解改善电路功率因数的意义并掌握其方法 二 原理说明二 原理说明 1 在单相正弦交流电路中 用交流电流表测得各支路的电流值 用交流电压表测得回路各元 件两端的电压值 它们之间的关系应满足基尔霍夫定律的相量形式 即 0 和 0 I U 2 如图 6 1 所示的 RC 串联电路 在正弦稳态信号 U 的激励下 与保持有 90 的相位 RU CU 差 即当阻值 R 改变时 的相量轨迹是一个半圆 与三者形成一个直角形的电压 RU U CU RU 三角形 R 值改变时 可改变角的大小 从而达到移相的目的 图 7 1 3 日光灯电路结构和工作原理 日光灯电路简述 图 7 2 是日光灯电路的接线图 它是由灯管 镇流器和启辉器等主要部件组 成的 1 灯管 日光灯的灯管是一根玻璃管 在管的内壁均匀地涂有一层薄的荧光粉 灯管两端各有一个阳极 和灯丝 灯丝是用钨丝绕制的 作用是发射电子 灯丝上焊有两根镍丝作为阳极 与灯丝具有同样 电位 它有帮助管子点燃的作用 但主要的作用是它的电位为正 即交流的正半波 时吸收部分的电 子 以减少电子对灯丝的冲击 管内充有惰性气体和水银蒸气 当管内产生弧光放电时 会放射出 紫外线 激励管壁上荧光粉 使它发出像日光的光线 18 电电源源 开开关关 电电容容器器 镇镇流流器器 灯灯管管 AB 启启辉辉器器 图 7 2 2 启辉器 其构造是封在玻璃泡 内充惰性气体 内的一条双金属片和静触片 外带一个小电容器 同装在 一个铝壳内 双金属片由两个膨胀系数相差很大的金属片粘合而成 启辉器的作用是与镇流器配合 使日光灯放电和点燃 3 镇流器 镇流器是带铁芯的电感线圈 其作用一是产生足够的自感电动势 即瞬时高压 使灯管放电 二 是在正常情况下限制灯管电流 简称限流作用 下面具体说明日光灯电路的工作原理 当日光灯刚接通电源时 灯管尚未放电 启辉器的两个 触点是断开的 电路中没有电流 电源电压全部加在启辉器上 使它的两端点间产生辉光放电 这 时 电流通过灯丝 启辉器 镇流器构成电路 灯丝发热 放射出大量电子 启辉放电时产生大量 的热量 使双金属片受热膨胀变曲而使两端点互相接触 导致放电熄灭 双金属冷却后 使动静触 头断开 回路被切断 在触点被断开的瞬间 镇流器产生了相当高的自感电动势与电源电压一起加 在灯管的两端 足以启动管内的水银蒸气放电 放电时辐射出的紫外线照到灯管内壁的荧光粉上 就发出可见光 灯管放电后 一半以上的电压降落在镇流器上 灯管两端电压即启辉器两端点之间电压较低 不足以使启辉器辉放电 因此 它的触点不再闭合 在灯管内 两端电极交替地起着阳极的作用 即 A 端电位为正时 B 端发射电子 而 A 端吸 收电子 当 B 端电位为正时 A 端发射电子 而 B 端吸收电子 日光灯属感性负载 它工作时 不仅从电源吸收有功 还要吸收无功 且电路的功率因数较低 为提高功率因数 可并联电容器 当并联的电容值合适时 可使电路的总功率因数提高到接近 1 如果并联电容值过大 将引起过补偿而使整个电路成为容性电路 三 实验设备三 实验设备 序号名 称型号与规格数量备 注 1 单相交流电源 0 220V1 2 三相自耦调压器 1 3 交流电压表 1 4 交流电流表 1 5功率表1 6镇流器与 30W 灯管配用1PEE 03 7电容器 1 f 2 2 f 4 7 f 450V PEE 04 19 8启辉器与 30W 灯管配用1PEE 03 9日光灯灯管30W1 10电门插座3PEE 03 四 实验内容四 实验内容 1 日光灯线路接线与测量 图 7 3 按图 7 3 组成实验线路 经指导教师检查后 接通市电 220V 电源 调节自耦变压器的输出使 其达到 220V 测量功率 P 功率因数 cos 电流 I 电压 U UL UA等值 记录于表 7 1 中 验 证电压相量关系 表 7 1 数据记录表 测量数据 计算值 P W cos I A U V UL V UA V r 正常工作值 2 并联电容 电路功率因数的改善 图 7 4 按图 7 4 组成实验线路 经指导教师检查后 接通市电 220V 电源 将自耦变压器的输出调至 220V 记录功率表 电压表 功率因数表的读数 通过一只电流表和三个电流插孔分别测量三条 支路的电流 改变电容值 进行重复测量 将据记录于表 7 2 中 表 7 2 数据记录表 电容值测 量 数 据 f P WU V I A IL AIC Acos 20 1 2 2 3 2 4 7 五 实验注意事项五 实验注意事项 1 本实验用交流市电 220V 务必注意用电和人身安全 2 在接通电源前 应先将自耦变压器手柄置在零位上 3 功率表要正确接入电路 读数时要注意量程和实验读数的折算关系 4 如线路接线正确 日光灯不能启辉时 应检查启辉器及其接触是否良好 六 预习思考题六 预习思考题 1 在日常生活中 当日光灯上缺少了启辉器时 人们常用一根导线将启辉器的两端短接一下 然后迅速断开 使日光灯点亮 或用一只启辉器去点亮多只同类型的日光灯 这是为什么 2 为了提高电路的功率因数 常在感性负载上并联电容器 此时增加了一条电流支路 试问 电路的总电流是增大还是减小 此时感性元件上的电流和功率是否改变 3 提高电路功率因数为什么只采用并联电容器法 而不用串联法 所并的电容器是否越大越 好 七 实验报告七 实验报告 1 完成数据表格中的计算 进行必要的误差分析 2 根据实验数据 分别绘出电压 电流相量图 验证相量形式的基尔霍夫定律 3 讨论改善电路功率因数的意义和方法 4 装接日光灯的心得体会及其他 21 实验八实验八 RC 选频网络特性测试选频网络特性测试 一 实验目的一 实验目的 1 熟悉文氏电桥电路的结构特点及其应用 2 学会用交流毫伏表和示波器测定文氏电桥的幅频特性和相频特性 二 实验原理二 实验原理 文氏电桥电路是一个的串 并联电路 如图 8 1 所示 该电路结构简单 被广泛应用于低RC 频振荡电路中作为选频环节 可以获得高纯度的正弦波电压 在输入端输入幅值恒定的正弦电压 在输出端得到输出电压 分别表示为 i U o U iii UU ooo UU 图 8 1 当正弦电压的频率变化时 的变化可以从两方面来看 在频率较低的情况下 即当 i U o U 时 图 8 1 可以近似成图 8 2 所示的低频等效电路 越低 的幅值越低 其相位R C 1 o U 越超前于 当趋近于时 趋近于 0 接近 而当频率较高时 即当 i U 0 o U io 90 时 图 8 1 可以近似成如图 16 3 所示的高频等效电路 越高 的幅值越小 其相R C 1 o U 位越滞后于 当趋近于时 趋近于 接近 由此可见 当频率为某一 i U o U 0 io 90 中间值时 不为零 且与同相 0 f o U o U i U 图 8 2 图 8 3 由电路分析可知 该网络的传递函数为 jAjA 22 1 3 1 RCRCj jA 其中幅频特性为 22 1 3 1 RCRC U U A i o 相频特性为 3 1 arctan RCRC io 它们的特性曲线如图 8 4 所示 图 8 4 当角频率时 与同相 即电路发生谐振 谐振频 RC 1 3 1 A 0 o U i U 率为 也就是说 当信号频率为时 串 并联电路的输出电压与输入电压 RC f 2 1 0 0 fRC o U 同相 其大小是输入电压的三分之一 串 并联电路具有带通特性 这一特性称为串 i U RCRC 并联电路的选频特性 测量频率特性一般采用 逐点描绘法 测量幅频特性时保持信号源输出电压 即网络输RC 入电压 恒定 改变频率 用交流毫伏表监视 并测量对应的网络输出电压 计 i Uf i URC o U 算出他们的比值 然后逐点描绘出幅频特性 测量相频特性时保持信号源输出电压 即网络输RC 入电压 恒定 改变频率 用交流毫伏表监视 用双踪示波器观察与波形 若两个 i Uf i U o u i u 波形的延时为 信号周期为 则它们的相位差 输出相位与输入相t T io T t 360 位之差 将各个不同频率下的相位差画在以为横轴 为纵轴的坐标纸上 用光滑的曲线将这f 些点连接起来 即是被测电路的相频特性曲线 23 三 实验设备三 实验设备 序号名 称型号与规格数量备 注 1函数信号发生器1 2双踪示波器1 3交流毫安表1 4RC 选频网络实验线路板1PEE 02 四 实验内容及步骤四 实验内容及步骤 1 测量串 并联电路的幅频特性RC 1 按图 8 1 电路接线并选择参数 R 1K C 0 1 f 2 调节低频信号源的输出电压为 3V 的正弦波 接入图 8 1 的输入端 3 改变信号源的频率 f 由频率计读得 保持 Ui 3V 不变 测量输出电压 U0 可先测量 时的频率 f0 然后再在 f0左右设置其它频率点 测量 U0 3 1 A 4 另选一组参数 R 220 C 2 f 重复测量一组数据 将实验数据记入表格中 2 测定串 并联电路的相频特性RC 按照实验原理介绍的方法步骤 选定两组电路参数进行测量 将实验数据记入表格中 五 实验报告要求五 实验报告要求 1 根据实验数据 绘制幅频特性和相频特性曲线 找出最大值 并与理论计算值比较 2 讨论实验结果 六 实验注意事项六 实验注意事项 由于信号内阻的影响 注意在调节输出频率时 应同时调节输出幅度 使实验电路的输入电压 保持不变 f HZ R 1K C 0 1 f Uo v R 220 C 2 f f HZ T ms t ms R 1K C 0 1 f t ms R 220 C 2 f 24 实验九实验九 三相交流电路电压 电流及功率的测量三相交流电路电压 电流及功率的测量 一 实验目的一 实验目的 1 掌握三相负载作星形联接 三角形联接的方法 验证这两种接法下线 相电压 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 3 掌握用一瓦特表法 二瓦特表法量三相电路的有功功率的方法 二 原理说明二 原理说明 1 三相负载可接成星形 又称 Y 接 或三角形 又称 接 当三相对称负载作 Y 形联接 时 线电压 U1是相电压 UP的倍 线电流 I1等于相电流 IP 即3 U1 UP I1 IP3 当采用三相四线制接法时 流过中线的电流 IN 0 所以可以省去中线 当对称三相负载作 形联接时 线电压 U1等于相电压 UP 线电流 I1为相电流 IP的倍 即3 U1 UP I1 IP3 2 不对称三相负载作 Y 联接时 必须采用三相四线制接法 即 Yo接法 而且中线必须牢固 联接 以保证三相不对称负载的每相电压维持对称不变 倘若中线开断 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 Yo接法 3 对于不对称负载作 接时 I1 IP 但只要电源的线电压 U1对称 加在三相负载上的电3 压仍是对称的 对各相负载的工作没有影响 4 对于三相四线制供电的三相星形联接的负载 即 Y0 按法 可用一只功率表测量各相的有 功功率 PA PB PC 三相功率之和 P PA PB PC即为三相负载的总有功功率 所谓一瓦特表 法就是用一只单相功率表去分别测量各相的有功功率 实验线路如图 9 1 所示 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 25 图 9 1 图 9 2 5 三相三线制供电系统中 不论三相负载是否对称 也不论负载是 Y 接还是 接 都可用二 瓦特表法测量三相负载的总有功功率 测量线路如图 9 2 所示 若负载为感性或容性 且当相位 60 时 线路中的一只功率表指针将反偏 对于数字式功 率表将出现负读数 这时应将功率表电流线圈的两个端子调换 不能调换电压线圈端子 而读数 应记为负值 图 9 2 中二瓦法两只功率表的接法是 iA uAC 与 iB uBC 此外 还有另外两种连接方法 它们是 iB uBA 与 iC uCA 及 iA uAB 与 iC uBC 三 实验设备三 实验设备 序号名 称型号与规格数量备注 1三相交流电源3 0 220V1 2三相自耦调压器1 3交流电压表1 4交流电流表1 5功率表 2 EM 09 6三相灯组负载15W 220V 白炽灯9PEE 03 7电流插孔3PEE 03 四 实验内容四 实验内容 1 三相负载星形联接 三相四线制供电 按图 9 3 线路组接实验电路 即三相灯组负载经三相自耦调压器接通三相对称电源 并将三相 调压器的旋柄置于三相电压输出 0V 位置 经指导教师检查后 方可合上三相电源开关 然后调节 调压器的输出 使输出的三相线电压为 220V 按数据表格所列各项要求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 记录之 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 26 图 9 3 表 9 1 数据记录表 开灯盏数 线 电流 A 线 电压 V 相 电压 V 测量 数据 负载 情况 A 相 B 相 C 相 IAIBICUABUBCUCAUAUBUC 中线 电流 IN A 中点 电压 UNN V Y0接平衡负 载 333 Y接平衡负载 333 Y0接不平衡 负载 123 Y接不平衡 负载 123 2 负载三角形联接 三相三线制供电 按图 9 4 改接线路 经指导教师检查后接通三相电源 调节调压器 使其输出线电压为 220V 按数据表格的内容进行测试 图 7 4 表 9 2 数据记录表 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 220V 220V A Z X B Y 220V 220V C 27 A B 相 B C 相 A C 相 UABUBCUCAIAIBICIABIBCICA 接三相平衡 负载333 接三相不平衡 负载123 3 用一瓦特表法测定三相对称 Y0 接以及不对称 Y0 接负载的总功率 P 按图 9 5 线路接线 线路中的电流表和电压表用以监视三相电流和电压 不得超过功率表电压 和电流的量限 C B A 三 相 Y0 接 负 载 WA V U V W N 220V 220V 图 9 5 经指导教师检查后 接通三相电源 调节调压器输出 使输出线电压为 220V 测量时首先将 三表按图 9 5 接入某一相 如 B 相 进行测量 然后分别将三个表换接到 A 相和 C 相 再进行测 量 记录于表 9 3 并进行计算 表 9 3 数据记录表 开灯盏数测 量 数 据计算值 负载情况 A 相B 相C 相 PA W PB W PC W P W Y0 接对称负载333 Y0 接不对称负载123 五 实验注意事项五 实验注意事项 1 本实验采用三相交流市电 线压为 380V 应穿绝缘鞋进入实验室 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 遵守先接线 后通电 先断电后拆线的实验操作原则 六 预习思考题六 预习思考题 1 三相负载根据什么条件作星形或三角形连接 2 复习三相交流电路有关内容 分析三相星形联接不对称负载在无中线情况下 当某相负载 开路或短路时会出现什么情况 如果接上中线 情况又如何 3 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 七 实验报告七 实验报告 1 用实验测得的数据验证对称三相电路中的关系 3 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 不对称三角形联接的负载 能否正常工作 实验是否能证明这一点 28 4 根据不对称负载三角形联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 分析之 5 总结 分析三相电路功率测量的方法与结果 6 心得体会及其他 实验十实验十 单相铁心变压器特性的测试单相铁心变压器特性的测试 一 实验目的一 实验目的 1 通过测量 计算变压器的各项参数 2 学会测绘变压器的空载特性与外特性 二 原理说明二 原理说明 1 如图 10 1 所示测试变压器参数的电路 由各仪表读得变压器原边 AX 设为低压侧 的 U1 I1 P1及副边 ax 设为高压侧 的 U2 I2 并用万用表 R 1 档测出原 副绕组的电阻 R1和 R2 即可算得变压器的各项参数值 图 10 1 电压比 电流比 原边阻抗 副边阻抗 21 UUKu 12 IIKs 111 IUZ 222 IUZ 29 阻抗比 NZ 负载功率 损耗功率 功率因数 21 ZZ cos 222 IUP 210 PPP IU P 1 1 1 原边线圈铜耗 副边线圈铜耗 铁耗 1 2 11 RIPCu 2 2 22 RIPCu 210CuCuFe PPPP 2 变压器空载特性测试 铁芯变压器是一个非线性元件 铁心中的磁感应强度 B 决定于外加电压的有效值 U 当副边开 路 即空载 时 原边的励磁电流 I10与磁场强度 H 成正比 在变压器中 副边空载时 原边电压 与电流的关系称为变压器的空载特性 这与铁芯的磁化曲线 B H 曲线 是一致的 空载实验通常是将高压侧开路 由低压侧通电进行测量 又因空载时功率因数很低 故测量功 率时应采用低功率因数瓦特表 此外因变压器空载时阻抗很大 故电压表应接在电流表外侧 3 变压器外特性测试 为了满足实验装置上三组灯泡负载额定电压为 220V 的要求 故以变压器的低压 36V 绕组 作为原边 220V 的高压绕组作为副边 即当作一台升压变压器使用 在保持原边电压 U1 36V 不 变时 逐次增加灯泡负载 每只灯为 15W 测定 U1 U2 I1和 I2 即可绘出变压器的外特性 即 负载特性曲线 U2 f I2 三 实验设备三 实验设备 序号名 称型号与规格数量备注 1单相交流电源0 200V1 2三相自耦调压器1 3交流电压表2 4交流电流表2 5功率表1EM09 6试验变压器36V 220 50VA1 7白炽灯15W 220V3PEE 03 四 实验内容四 实验内容 1 用交流法判别变压器绕组的极性 2 按图 10 1 线路接线 AX 为低压绕组 ax 为高压绕组 即电源经调压器 TB 接至低压绕组 高压绕组接 220V 15W 的灯组负载 用 3 只灯泡并联获得 经指导教师检查后方可进行实验 3 变压器外特性测试 合上交流电源 调节调压器使变压器原边电压 U1 UN 36V 逐渐增加 负载电流 即减小负载电阻的值 从空载到额定负载范围内测试表 10 1 所示四项 共取 6 7 组数 据 记录于表中 绘制变压器的外特性曲线 U2 f I2 测取数据时 I2 0 和 I2 I2N 0 227A 必测 表 10 1 数据记录表 U1 V 363636363636 I1 A P1 W U2 V I2 A 30 实验完毕将调压器调回零位 断开电源 4 变压器空载特性测试 将高压线圈 副边 开路 确认调压器处在零位后 合上电源 调 节调压器的输出电压 使 U1从 0 逐次上升到 42V 1 2 倍的额定电压 分别记录各次测得的 U1 U2和 I1 填入