Rw R E I - Co i gdzie?

Badanie źródeł napięcia stałego.
1. Cel ćwiczenia: Celem ćwiczenia jest poznanie właściwości rzeczywistych źródeł napięcia
stałego, zapoznanie się z charakterystykami zewnętrznymi obciążenia źródła oraz mocą
pobieraną i wydawaną przez źródło.
2. Wprowadzenie: W praktyce zawsze spotykamy się z rzeczywistymi źródłami napięcia stałego.
Źródło idealne może być symulowane przez np. źródła stabilizowane, ale jego stabilizacja
ostatecznie jest ograniczona górną granicą wydajności prądowej takiego źródła. Rzeczywiste
źródło napięcia stałego możemy zastąpić szeregowym połączeniem źródła idealnego (SEM) i
rezystancji wewnętrznej Rw. Takie źródło przedstawiono na rys. 1.
I
Rw
URw
U
R
E
Rys. 1. Model rzeczywistego źródła napięcia
Źródło może pracować w trzech stanach:
-
jałowym (rezystancja obciążenia równa nieskończoność (przerwa), napięcie U na
zaciskach źródła jest równe SEM źródła idealnego)
-
zwarcia (rezystancja obciążenia jest równa zero, napięcie U na zaciskach źródła wynosi
zero, napięcie SEM odkłada się w całości na rezystancji wewnętrznej Rw, w obwodzie
płynie prąd zwarcia Iz)
-
pracy (rezystancja obciążenia zmienia się i jest większa od zera oraz mniejsza od
nieskończoności. Napięcie na zaciskach zależy od rezystancji obciążenia. Punkt pracy
źródła i charakterystykę źródła przedstawia rys. 2)
Źródło opisują następujące wartości:
U0 = E
- napięcie stanu jałowego
Iz
- prąd zwarcia
Rw
- rezystancja wewnętrzna źródła
U
U0
U=
E
-Rw
I
RI
=
U
IZ
I
Rys. 2. Charakterystyka prądowo-napięciowa rzeczywistego źródła napięcia, oraz
charakterystyka jego obciążenia.
Charakterystyki źródła są opisane wzorami:
Charakterystyka źródła:
U = E - RwI
Charakterystyka obciążenia:
U=IR
Rezystancja wewnętrzna źródła:
Rw = Uo/Iz
P1 = E I
- moc źródła (pobierana przez źródło)
P2 = U I = (E-Rw I)I
- moc wydawana przez źródło
Moc wydawana przez źródło oznaczona tu jako P2 swoje maksimum osiąga dla obciążenia R
równego rezystancji wewnętrznej Rw. Jest to stan dopasowania źródła.
3. Program ćwiczenia:
W ramach ćwiczenia badamy charakterystyki prądowo – napięciowe dwu identycznych
źródeł prądu stałego, charakterystykę ich połączenia szeregowego oraz połączenia równoległego.
Schemat pomiarowy został zamieszczony na rys. 3.
Wyniki pomiarów umieszczamy w tabeli 1 (a, b, c i d odpowiednio dla każdego z układów
połączeń). Na podstawie wyników pomiarów obliczamy: moce P1 i P2 oraz rezystancję
obciążenia R.
Ze względu na możliwość uszkodzenia badanych źródeł na skutek ich przeciążenia,
dopuszcza się zakres obciążenia prądami od 0 do 300 mA. Dlatego też uzyskane w tabelach
pomiarowych wyniki nie odzwierciedlają pełnego zakresu charakterystyk źródeł. Aby uzyskać
pełne charakterystyki, rysujemy dla każdej serii pomiarów charakterystykę U=f(I).
Charakterystyka ta zgodnie z rys. 1 powinna być liniowa. Dlatego też na podstawie naniesionych
na charakterystyce punktów aproksymujemy ją linią prostą, aż do punktu przecięcia z osią
prądową (prąd zwarcia Iz). Z tak aproksymowanej charakterystyki odczytujemy dane dla prądów
powyżej 300mA i wpisujemy je do tabeli pomiarowej. Na ich podstawie:
a) wyznaczamy prąd zwarcia Iz
b) wykreślamy charakterystykę P2 = f(R)
c) wyznaczamy rezystancję wewnętrzną Rw = Uo/Iz
a)
b)
c)
d)
A
R w1
R w1
R w2
E1
E2
E1
Rw2
Rw1
Rw2
E1
E2
R
V
E2
Rys. 3. Układ pomiarowy
Tabela 1. Układ pomiarowy: ........
U
I
R
P1
P2
V
A
Ω
W
W
Iz = ........... A
Uo = .......... V
Rw = .......... Ω
4.Opracowanie ćwiczenia:
a) Wykonaj wykresy U=f(I) dla wszystkich badanych źródeł i ich połączeń (zalecane wykonanie
na wspólnym wykresie). Aproksymuj wykres prostą przechodzącą przez uzyskane punkty
pomiarowe. Na podstawie wykresów znajdź prąd zwarcia Iz i wylicz rezystancję wewnętrzną
źródła Rw.
b) Wykonaj wykresy P2 = (R) i znajdź wartość R, przy której P2 = max..
c) Porównaj charakterystyki badanych źródeł. Oceń, jaki wpływ miały na nie połączenia:
szeregowe i równoległe.
UWAGA: Do wykonania aproksymacji proponuje się zastosowanie programu APROKS.EXE