ЛУ2 СКЕ 2022

  ЛУ2: Основни електрически и измервателни понятия

I. Основни електрически понятия

1. Електрически величини - интуитивна представа, аналогии (вижте В края на първото лабораторно упражнение):

• напрежение
• ток
• съпротивление

2. Електрически елементи. Какво е това електрически елемент? Разлика между елемент и схема (система от свързани елементи). Видове елементи според различни признаци: пасивни/активни (резистори/транзистори), двуполюсни/многополюсни, (резистори/потенциометри), линейни/нелинейни (резистори/диоди).

• Източник на напрежение: идеален, реален
• Интуитивна представа, аналогии
• Свойства: номинално напрежение, ниско вътрешно съпротивление, максимален ток, волт-амперна характеристика (ВАХ). Дискусия: Възможен ли е източник  с линейна зависимост на напрежението от тока и  какво би означавало това?
• Практически източници на напрежение: батерии, акумулатори, стабилизирани токоизправители (адаптори 12 V/1 A - лаб. 1217)
• Свързване на източници на напрежение: последователно, паралелно (проблеми)
• Източник на ток: идеален, реален

• Интуитивна представа, аналогии 
• Свойства: номинален ток, високо вътрешно съпротивление, максимално напрежение (compliance voltage), волт-амперна характеристика (ВАХ)
• Практически източници на ток: зарядни устройства за акумулатори, захранващи устройства за светодиоди
• Свързване на източници на ток: паралелно, последователно (проблеми)
• Превръщане на източник на ток в източник на напрежение (по Нортън)
• Резистор:
• Постоянен:
• Интуитивна представа, аналогии 
• Свойства: номинално съпротивление, максимална разсейвана мощност, волт-амперна характеристика (ВАХ)
• Практически резистори: естествени (примери), изкуствени (видове)
• Дискусия: Възможен ли е резистор с “отрицателно съпротивление” и  какво би означавало това?

• Променлив (реостат):
• Устройство и принцип на действие
• Видове: линейни/нелинейни, линейни/кръгови

3. Елементарна електрическа верига:

• 2-елементна – източник и товар (естествено, и съединителни проводници). Напрежителни падове и ток.
• 3-елементна - източник, резистор и товар (и съединителни проводници). Напрежителни падове и ток.

4. Методи за визуализиране на електрическите величини (интуитивна представа, аналогии):

• Токови контури - Where do currents flow in circuits?
• Напрежителни стълбчета - What are voltages in circuits?
• Потенциални диаграми - What are voltages inside resistors?
• Графоаналитичен метод ("товарна права")

Зависимостта на изходната от входната величина Y = f(X) на един елемент в аналитичен, табличен или графичен вид се нарича предавателна характеристика. Входната и изходната величина могат да бъдат напрежения, токове или и двете. При двуполюсниците те са напрежение и ток; затова тази зависимост при тях се нарича волт-амперна характеристика (ВАХ).

Класическо обяснение. Дефинираме ”товарна права”, която пресича характеристиката на изследвания елемент (на фигурата по-долу е показан пример с делител на напрежение). Положението на правата се определя чрез двете й крайни точки. От V = E - I.R първо се полага V = 0, тогава I = E/R; след това се полага I = 0, тогава V = E.

Интуитивно обяснение. Чрез еквивалентни преобразувания, свеждаме електрическата верига до два, включени един към друг двуполюсника - източник и товар. Всеки от тях се характеризира с волт-амперната си характеристика, която представя всички възможни комбинации от стойности на напрежението V и тока I. В определен момент на времето действа само една от възможните комбинации и тя определя положението на само една точка A от графиката - работната точка на веригата. Понеже напрежението и токът са едни и същи за двата елемента, работната точка се получава от пресичането на волт-амперните им характеристики, начертани в една обща координатна система. Характеристиката на елемента, свързан към маса, започва от началото на координатната система и е наклонена надясно, а характеристиката на другия елемент е отместена надясно и наклонена наляво.

5. Методи за снемане на волт-амперни характеристики на елементи: ръчно, с характериограф (осцилоскоп), компютърно (ЦАП, АЦП и компютър).

II. Основни измервателни понятия

1. Волтметър: идеален, реален

• Устройство и принцип на действие: магнитоелектричен, електронен
• Свойства: максимално напрежение (обхват), високо вътрешно съпротивление

2. Амперметър: идеален, реален

• Устройство и принцип на действие: магнитоелектричен, електронен
• Свойства: максимален ток (обхват), ниско вътрешно съпротивление

3. Омметър

• Устройство и принцип на действие
• Свойства: максимално съпротивление (обхват), високо вътрешно съпротивление

4. Измервания:

• Измерване на напрежение с реален волтметър
• Измерване на (диференциално) напрежение между две точки и (несиметрично) напрежение спрямо точка с опорен потенциал (“маса”). Понятие за маса; избор на масата.
• Измерване на вътрешното съпротивление на волтметъра чрез омметър
• Измерване на ток чрез амперметър
• Измерване на вътрешното съпротивление на амперметъра чрез омметър
• Измерване на ток чрез волтметър
• Идея на метода - измерване на напрежителния пад върху резистор с известно съпротивление.
• Възможности за реализация (наличие на резистор с известно съпротивление)
• Предимства (не се разкъсва веригата)
• Приложения
• В лабораторните упражнения по ППЕ (характериограф за снемане на волт-амперни характеристики на двуполюсни елементи)
• При диагностика на електронни устройства
• Измерване на напрежение и ток
• VA схема на свързване (снемане на ВАХ на диод в обратна посока)
• AV схема на свързване (снемане на ВАХ на диод в права посока)
• Измерване на съпротивление
• … директно чрез омметър
• … косвено чрез волтметър и амперметър (VA и AV схеми)

III. Лабораторни експерименти

1. Изследване на измервателни уреди (необходимо за провеждане на началните експерименти):

• “Изобретяване” и изследване на волтметър
• Магнитоелектрически волтметър (сглобяване чрез микроамперметър + резистор последователно)
• Електронен мултиметър - устройство (идейно), режими на работа
• Как може да бъде “изгорен” един волтметър (включване към източник на ток)?
• “Изобретяване” и изследване на амперметър
• Сглобяване чрез волтметър + резистор паралелно
• Отваряне на електронен мултиметър и изследване на шунтовите резистори. Обясняване на ролята на предпазителя. Как може да бъде “изгорен” един амперметър (включване към източник на напрежение)?
• Сглобяване на омметър чрез:
• източник на напрежение + амперметър последователно
• източник на ток + волтметър паралелно

2. Изследване на източници

• Изследване на източник на напрежение
• “Идеален” източник на напрежение:
• Без товар (на празен ход)
• С товар (резистори с различни стойности или няколко с еднаква стойност паралелно)
• Реален източник на напрежение (“идеален” източник на напрежение с последователно добавен резистор с малко съпротивление):
• Без товар (на празен ход)
• С товар (резистор с различни стойности  или няколко с еднаква стойност паралелно)
• Разглобяване на различни батерии (9 V, 1,5 V, 12 V) и изследване на вътрешното им устройство
• Свързване на батерии последователно.
• “Изобретяване” и изследване на реален източник на ток
• Сглобяване чрез идеален източник на напрежение и резистор с голямо съпротивление, включен последователно
• Изследване при различни товари: накъсо, резистор, отворена верига. Разглеждане на приложения в транзисторните схеми по ППЕ (изследване на диоди по ток, захранване на светодиоди, базов резистор)
• Свързване на източници на ток паралелно.