电工技术实训第2章直流电路

1、第2章 直 流 电 路 第2章 直 流 电 路 2.1 线性电路的基本定律线性电路的基本定律2.2 直流电路小制作直流电路小制作 第2章 直 流 电 路 2.1 线性电路的基本定律线性电路的基本定律 电路的结构形式一般分为简单电路和复杂电路。对于简单电路,只用串、并联化简和欧姆定律就能求解。但在电子线路中经常会遇到许多复杂电路, 用一般的串、并联方法不能化简, 必须灵活运用基尔霍夫定律、叠加原理和戴维南定理求解。本节除介绍基尔霍夫定律以外, 还介绍了解决线性电路常用的方法验证电路的设计及实现。 第2章 直 流 电 路 实训项目实训项目6 6 基尔霍夫定律的验证和电位的研究基尔霍夫定律的验证和电

2、位的研究一、一、 实训目的实训目的(1) 加深对基尔霍夫定律的理解。(2) 学会运用基尔霍夫电流定律和电压定律。(3) 正确及熟练使用电压表、 电流表、 万用表和稳压电源。(4) 进一步理解参考方向的概念。(5) 通过电路中各点电位的测量加深对电位、 电压及它们之间关系的理解。 第2章 直 流 电 路 二、二、 原理说明原理说明基尔霍夫定律是电路的基本定律。 测量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。1. 1. 基尔霍夫电流定律基尔霍夫电流定律在任一瞬时, 流出(或流入)某一节点的电流的代数和恒等于零, 即 I=0 (6-1) 如图6.1所示, 对于节点a和

3、b来说, 流进节点的电流恒等于流出节点的电流, 即 354321,RRRRRRIIIIII第2章 直 流 电 路 图 6.1 验证基尔霍夫定律电路图 E15 VceR1390 abR3300 R4510 E26 VdfR2R5100 1 k回路1回路21RI2RI3RI4RI5RI第2章 直 流 电 路 2. 2. 基尔霍夫电压定律基尔霍夫电压定律在任一瞬时, 沿任一回路循行方向(顺时针方向或逆时针方向), 回路中各段电压的代数和恒等于零, 即 U=0 (6-2) 如果规定电位升取正号,则电位降就取负号。图6.1中, 若我们设b点为零电位点, 则在回路1中, 以顺时针方向循行,从零电位点出发,

4、电阻R4、R1、R3两端的电压为电压降, 电源E1的电压为电压升; R4、R1、R3两端的电压降之和应该等于电源E1的电压升。 在回路2中若以逆时针方向循行,则电阻R3、R2、R5两端的电压为电压降, 电源E2的电压为电压升; R3、R2、R5两端的电压升之和应等于电源E2的电压降。 即在两个回路中, 各段电压降的代数和等于零。 第2章 直 流 电 路 3. 3. 电压、电压、 电流的实际方向与参考方向的对应关系电流的实际方向与参考方向的对应关系参考方向是为了分析、计算电路而人为设定的。 实训中测量的电压、电流的实际方向由电压表、 电流表的“正”端所标明。 在测量电压、电流时,若电压表、电流表

5、的“正”端与参考方向的“正”一致, 则该测量值为正值, 反之为负值。 第2章 直 流 电 路 4. 4. 电位与电位差电位与电位差在电路中, 电位的参考点选择不同, 各点的电位也相应改变, 但任意两点间的电位差不变, 即任意两点间电压与参考点电位的选择无关。 第2章 直 流 电 路 三、三、 实训设备和器件实训设备和器件(1) 实训工作台(含三相电源、 常用仪表等) 一台 (2) 直流稳压电源 一台 (3) 数字万用表 一个 (4) 1 k、 510 、 390 、 100 电阻 各一个 (5) 基尔霍夫定律实验电路板 一块 (6) 连接导线 几根 以上设备和器件的技术参数可按实训室的要求进行

6、选取。 第2章 直 流 电 路 四、四、 实训内容和步骤实训内容和步骤(1) 调节双路直流稳压电源, 使得一路输出为5 V, 另一路输出为6 V。(2) 按图6.1正确连接电路。(3) 经教师检查后接通电源, 用万用表测电压及各支路电流, 并将结果填入表6-1中。 注意测量电流时电流表应串联在电路中, 测量电压时电压表应并联在电路中。 第2章 直 流 电 路 表表6-1 基尔霍夫电压、基尔霍夫电压、 电流定律测量值电流定律测量值 第2章 直 流 电 路 (4) 分别以b、c为参考点,测量图6.1中各点电位, 将测量结果填入表6-2中, 通过计算验证电路中任意两点间的电压与参考点的选择无关。 表

7、表6-2 不同参考点电位与电压不同参考点电位与电压 第2章 直 流 电 路 五、五、 注意事项注意事项(1) 所有需要测量的电压值, 均以电压表测量的读数为准。(2) 使用指针式表时, 要特别关注指针的偏转情况, 及时调换表的极性, 防止指针打弯或损坏仪表。(3) 测定电压、 电流时, 不但要读出数值来, 还要判断实际方向, 并与设定的参考方向进行比较, 若不一致时, 则该数值前加“-”号。 第2章 直 流 电 路 六、六、 分析思考分析思考(1) 根据仪表的准确度、 测量手段和方法分析产生误差的原因。(2) 参考方向是怎样定义的？ 与实际方向区别何在？(3) 测量电压、 电流时, 如何判断电

8、源前的正、 负号？ 负号的意义是什么？(4) 用万用表直流毫安挡测各支路电流时, 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, 则会有什么显示？ 第2章 直 流 电 路 (5) 电位出现负值, 其意义是什么？(6) 若电路中需要15 V电源供电, 现有两台030 V可调稳压电源, 怎样连接才能实现其要求？ 试画出电路图。(7) 分析实训电路中各段电压和各支路电流的关系。 第2章 直 流 电 路 实训项目实训项目7 叠叠 加加 原原 理理 一、一、 实训目的实训目的(1) 加深对叠加原理的理解。(2) 熟练使用万用表及直流稳压电源。(3)

9、 加强对参考方向的掌握和运用的能力。 第2章 直 流 电 路 二、二、 原理说明原理说明叠加原理定义为: 在线性电路中, 有多个激励(电压源或电流源)共同作用时, 在任一支路所产生的响应(电压或电流), 等于这些激励分别单独作用时, 在该支路所产生响应的代数和。所谓某一激励单独作用, 就是除了该激励外, 其余激励均除去, 即理想电压源被短路, 理想电流源被开路。 但如果电源有内阻则应保留原处。 第2章 直 流 电 路 电流和电压的代数和是相对其参考方向而言的, 因此在进行测试时, 应在电路中先标明电流或电压的参考方向, 电流表或电压表的极性按与参考方向一致接入。 使用模拟表时, 表指针正偏,

10、说明实际方向与参考方向一致, 读数记为正值; 当指针反偏时, 必须改变电表极性接入才能显示读数, 说明实际方向与参考方向相反, 读数取负值。使用数字表时, 记录正、负叠加时进行代数相加减。在线性网络中, 功率是电压或电流的二次函数, 因此, 叠加原理不适用于功率计算。 第2章 直 流 电 路 实验电路如图7.1(a)所示, 在电源E1和E2共同作用时, 各支路的电流(或电压)应该是仅有E1(图7.1(b)和仅有E2(图7.1(c)作用时各对应支路电流(或电压)的代数和, 即 acacac333222111,UUUIIIIIIIII第2章 直 流 电 路 图 7.1 验证叠加原理实验电路图 E1

11、6 VI1R1200 acI2R3220 I3E25 VbR2100Uac(a)E16 VR1acR3E25 VbR2(b)acR3R2(c)b2I1I3IacU2I 3I acU R11I 第2章 直 流 电 路 测量时注意电流和电压的“正”、 “负”值。实验中认为电源内阻很小, 可以忽视。 若电源内阻不可忽视时, 在电路中则要用与之相等的电阻代替。 第2章 直 流 电 路 三、三、 实训设备和器件实训设备和器件(1) 实训工作台(含三相电源、常用仪表等) 一台 (2) 直流稳压电源 一台 (3) 台式数字万用表 一台 (4) 220 、 200 、 100 电阻 各一个 (5) 小面包板

12、一块 (6) 叠加原理实验电路板(HE-12) 一块 以上设备和器件的技术参数可按实训室的要求进行选取。 第2章 直 流 电 路 四、四、 实训内容和步骤实训内容和步骤1. 按图7.1实验(1) 按电路图7.1(a)接好电路, 将电源E1调至6 V,电源E2调至5 V。分别测量流过电阻R1,R2, R3上的电流I1,I2,I3及电阻R3两端的电压Uac/,并将测量结果填入表7-1中。(2) 按电路图7.1(b)接好电路, 将电源E1调至6 V。分别测量流过电阻R1,R2, R3上的电流及电阻R3两端的电压,并将测量结果填入表7-1中。 321III、acU第2章 直 流 电 路 (3) 按电路

13、图7.1(c)接好电路, 将电源E2调至5 V。分别测量流过电阻R1,R2, R3上的电流及电阻R3两端的电压,并将测量结果填入表7-1中。(4) 分别计算图7.1(a)、(b)、(c)中各支路的电流及电阻R3两端的电压值, 并将计算结果填入表7-1中, 注意根据图中箭头所示的参考方向标明电流、电压的正、负号。 321III、acU第2章 直 流 电 路 表表7-1 叠加原理实验叠加原理实验1记录记录 第2章 直 流 电 路 2. 按图按图7.2实验实验 实验电路如图7.2所示。 (1) 将两路稳压源的输出分别调节为12 V和6 V, 接于U1和U2处。(2) 令U1电源单独作用(将开关S1投

14、向U1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的电压, 数据填入表7-2中。第2章 直 流 电 路 图 7.2 叠加原理实验电路图F510 I1R1I3AR3510 DE510 R4U1S1B510 I2R2C330 R5U2S2S3IN400712 V6 V第2章 直 流 电 路 表表7-2 叠加原理实验叠加原理实验2记录记录(一一) 第2章 直 流 电 路 (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), 重复步骤(2)的测量和记录, 数据填入表7-2中。(4) 令U1和U2共同作用(开关S1和S2分别投向U

15、1和U2侧), 重复上述的测量和记录, 数据填入表7-2中。(5) 将U2的数值调至12 V, 重复步骤(3)的测量并记录, 数据填入表72中。(6) 将R5(330 )换成二极管IN4007(即将开关S3投向二极管IN4007侧), 重复步骤(1)(5)的测量过程, 数据填入表7-3中。 第2章 直 流 电 路 表表7-3 叠加原理实验叠加原理实验2记录记录(二二) 第2章 直 流 电 路 五、五、 注意事项注意事项(1) 注意仪表量程的及时更换, 注意两表笔在电路连接时的正、负极性。(2) 当一个电压源作用时,另一个不作用的电压源应从电路中去掉, 并保持该支路短路状态。 如有内阻应保留。

16、第2章 直 流 电 路 六、六、 分析思考分析思考(1) 叠加原理中E1、E2分别单独作用, 在实验中应如何操作？可否直接将不作用的电压源(E1或E2)短接置零？若是电流源呢？(2) 若将电路中的一个电阻改为二极管, 试问这时叠加定理还成立吗？ 为什么？(3) 各电阻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结论。 (4) 将理论计算值与测量值比较, 分析误差原因。(5) 通过本实验, 你能得到什么结论？ 第2章 直 流 电 路 实训项目实训项目8 戴维南定理验证电路的设计戴维南定理验证电路的设计一、一、 实训目的实训目的(1) 验证戴维南定理的正确性, 加深对该定理的理

17、解。(2) 掌握测量有源二端网络等效参数的一般方法。(3) 学习多种测量电阻的方法。 第2章 直 流 电 路 二、二、 原理说明原理说明在讨论戴维南定理之前, 先以图8.1所示的电路为例介绍一下二端网络的概念。凡具有两个向外电路接线的接线端的网络, 即称为二端网络。根据它的内部是否含有电源又分为有源二端网络和无源二端网络。例如在图8.1(a)所示的电路中,左边是有源二端网络,右边是无源二端网络。 图8.1(a)是已知电路结构的有源二端网络与无源二端网络的连接。未知电路结构的二端网络一般如图8.1(b)所示。显然,一个有源支路是最简单的有源二端网络, 一个无源支路是最简单的无源二端网络, 它们的

18、连接如图8.1(c)所示。 第2章 直 流 电 路 图 8.1 有源二端网络与无源二端网络的连接示意图 R1E1R2E2abUIcd(a)有源二端网络abUIcd无源二端网络(b)R0EabUIcdR(c)第2章 直 流 电 路 戴维南定理又称等效电压源定理。可叙述如下: 任一线性有源二端网络(即电压、 电流关系是线性变化), 对其外部电路来说, 都可用一个电动势为E的理想电压源和内阻R0相串联的有源支路来等效代替。这个有源支路的理想电压源的电动势E等于网络的开路电压U0。内阻R0等于相应的无源二端网络的等效电阻。所谓相应的无源二端网络的等效电阻, 就是原有源二端网络内所有的理想电源(理想电压

19、源或理想电流源)均除去时二端网络的入端电阻。 除去理想电压源的做法是使E=0, 即使理想电压源所在处短路; 除去理想电流源的做法是使Is=0, 即使理想电流源所在处开路。 第2章 直 流 电 路 三、三、 实训设备和器件实训设备和器件(1) 实验工作台(含三相电源、 常用仪表等) 一台 (2) 直流稳压电源 一台 (3) 台式数字万用表 一台 (4) 200 、 100 电阻 各一个 (5) 小面包板 一块 (6) 戴维南定理实验电路板 一块 以上设备和器件的技术参数可按实训室的要求进行选取。 第2章 直 流 电 路 1. 1. 按图按图8.28.2所示电路实验所示电路实验在图8.2(a)所示

20、电路中,E1=6 V, E2=9 V,R1=100, R2=200 , R=200。将图8.2(a)所示电路的a、 b两点左侧电路按戴维南定理进行变换, 得到图8.2(b)所示的等效电路。 第2章 直 流 电 路 图 8.2 戴维南定理实验电路图(a) 原电路； (b) 等效电路； (c) 求开路电压； (d) 求等效电阻 R1E1R2E2abUI(a)RR0EabUI(b)RR1E1R2E2abU0(c)I1abR1R2R0(d)第2章 直 流 电 路 (1) 将图8.2(a)所示电路中a、b两点右侧的R不接入, 即为图8.2 (c)所示的电路, 用万用表直流电压挡测量开路电路U0, 填入表

21、8-1中。(2) 内阻R0可通过下面几种方法测量: 直接测量法： 将E1、E2除去,按图8.2(d)接线, 用万用表电阻挡测无源二端网络a、b间等效电阻R0, 填入表8-1中。 第2章 直 流 电 路 表表8-1 戴维南定理实验数据表戴维南定理实验数据表 第2章 直 流 电 路 伏安法:将E1、E2除去,在两端钮上外加一已知电源E, 如图8.3所示,测得电压U和电流I, 则R0=UI。 图 8.3 伏安法测电阻电路图 R1R2UIE第2章 直 流 电 路 开路电压、 短路电流法: 通过测量有源二端网络的开路电压U0和短路电流Is来求电阻。测量a、c两点间的开路电压U0的测试电路如图8.4所示。

22、再如图8.5所示,a、c两点间闭合时测得短路电流Is,则R0=U0Is。这种方法仅适用于等效电阻较大而短路电流不大(不超过电源电流的额定值)的情况。 第2章 直 流 电 路 E16 VI1R1200 acU0E25 VbI2R2100 图8.4开路电压测量电路第2章 直 流 电 路 图 8.5 短路电流测量电路 E15 VI1R1200 acE26 VbI2R2100 I3第2章 直 流 电 路 两次电压法: 先测量有源二端网络的开路电压U0 , 再在两端间接入一个已知电阻RL, 测电阻RL两端电压UL, 则R0 =(U0 UL-1)RL 。按图8.6电路所示, 开关S打开时测得开路电压U0,

23、 S闭合时,测得UL两端电压UL。 第2章 直 流 电 路 图 8.6 两次电压法测电源内阻 E0R0U0RLULS第2章 直 流 电 路 (3) 用所测得的U0和R0,按图8.2(b)组成戴维南定理模型电路, 测出I, 填入表8-1 中, 并与理论计算值比较。 第2章 直 流 电 路 2. 2. 按图按图8.78.7所示电路实验所示电路实验被测有源二端网络如图8.7(a)所示。 图 8.7 戴维南定理实验图 UocR0mARLU(b)戴维南等效电路RL1 kUmAV ABUs12 VR410 Is10 mAR1R2R3330 510 510 (a)第2章 直 流 电 路 (1) 用开路电压、

24、短路电流法测定戴维南等效电路的Uoc和R0。用开关S代替负载电阻RL。开关S打开时，如图8.8所示， 测得开路电压Uoc；开关S闭合时，如图8.9所示，测得短路电流Isc。经计算求得R0， 将所测数值填入下表： 第2章 直 流 电 路 图 8.8 Uoc测量电路Is10 mASUs12 V10 R4R1R2R3Uoc510 330 510 第2章 直 流 电 路 图 8.9 Isc测量电路 Is10 mAS10 R4R1R2R3Isc510 330 510 第2章 直 流 电 路 (2) 负载实验。按图8.7(a)接入RL。改变RL阻值, 测量不同端电压下的电流值, 填入下表: 第2章 直 流

25、 电 路 (3) 有源二端网络等效电阻(又称入端电阻)的直接测量法。 见图8.7(a)。 将被测有源网络内的所有独立源置零(去掉电流源Is和电压源Us,并在原电压源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表的欧姆挡去测定负载RL开路时A、B两点间的电阻, 此即为被测网络的等效电阻R0, 或称网络的入端电阻Ri。 第2章 直 流 电 路 五、五、 注意事项注意事项(1) 测量时注意电流表量程的更换。(2) 改接线路时, 要先断开电源。(3) 用直接法测R0时, 电路中的独立源必须先置零,以免损坏万用表; 欧姆挡必须经调零后再进行测量。 电源置零时不可将稳压源短接。 第2章 直

26、 流 电 路 六、六、 分析思考分析思考(1) 说明测有源二端网络开路电压及等效电阻的几种方法, 并比较其优缺点。(2) 本实训中若U0和R0用计算法求,应怎样求解, 将所得值与测量值比较。(3) 二端网络是指_。(4) 二端网络根据内部是否含有_, 又分为_和_。 第2章 直 流 电 路 (5) 戴维南定理说任何一个线性有源二端网络, 可用一个_ E和R0来等效代替。 E就是有源二端网络的_, R0等于有源二端网络中所有电源均除去(将各个理想电压源_, 将各个理想电流源_)后所得到的无源网络的等效电阻。 第2章 直 流 电 路 2.2 直流电路小制作直流电路小制作 电路的设计、 制作和调试能

27、力是锻炼学生分析问题、 解决问题的重要方面。 在学习了各种电路分析方法之后, 自己动手利用所学过的知识制作一个简单的电路, 将所学的知识作一个综合的训练和总结。 第2章 直 流 电 路 实训项目实训项目9 电阻温度计的设计制作电阻温度计的设计制作 一、一、 实训目的实训目的(1) 熟悉、 掌握电桥测量电路。(2) 了解非电量转为电量的实现方法。(3) 训练自行设计电路与制作、 调试电路的能力。(4) 培养学生独立撰写实训报告的能力。 第2章 直 流 电 路 二、二、 原理说明原理说明电桥测量电路如图9.1所示。 检流计两端电压为)()()()(213321321312sbdRRRRRRRRRRRRrrRRRRUUXXXggX(9-1) 其中rg为检流计内阻。若rg远大于桥臂电阻, 上式可近似为 s321312bd)(URRRRRRRRUXX(9-2) 第2章 直 流 电 路 图 9.1 电桥测量电路 UsacbdGR1R2R3Rx第2章 直 流 电 路 当R1R3=R2RX时, 电桥达到平衡, 检流计G指示为零。 令此时RX=RX0,则当RXRX0时, 电桥平衡条件被破坏, 就会有电流流过检流计, 且电流的大小随电阻阻值RX而变化。利用电桥的这一特性, 可以制成各种仪器设备, 如电阻温度计, 这时RX为一热敏电阻,其