Выбор элементов и сборка электрических схем в программе EWB.
Рассмотрим интерфейс программы EWB. Программа состоит из строки меню, ниже меню расположены панель системных кнопок (файлы, печать, масштаб и т.д.), панель инструментальных кнопок (выбор различных компонентов РЭА и измерительных приборов) и листа для рисования электронных схем.
Элементы электрических схем сгруппированы по категориям на панели инструментальных кнопок.
На рисунке показана панель Sources (Источники) на которой сгруппированы такие элементы как "заземление", источники постоянного и переменного тока и т.п.
На панели Basic "Базовые элементы", сгруппированы такие элементы, как постоянные и переменные резисторы и конденсаторы, катушки индуктивности, трансформаторы и переключатели.
При нажатии на кнопку откроется панель диодов, и пни нажатии на кнопку откроется панель выбора транзисторов.
Для сборки электрической схемы следует перетащить (не отпуская левой кнопки мыши) нужные элементы на лист рисования электронных схем.
![](upkey.jpg)
Постоянный электрический ток Закон Ома для участка цепи.
Соберём первую электрическую схему для исследования цепи постоянного тока. Для этого нам понадобится источник постоянного тока (напряжения) - battery , электрическое сопротивление (резистор resistor) - и измерительный прибор (амперметр, ammetr,) который находится на панели Indicators:
В итоге у нас получится такая картина:
Для создания электрических соединений элементов схемы, следует подвести курсор мыши к контакту элемента (до появления чёрной точки на контакте. Рис. А) и, не отпуская кнопки мыши провести линию к контакту следующего элемента (до появления чёрной точки на контакте. Рис. Б) и отпустить кнопку мыши.
В итоге, должна получиться такая схема:
Далее следует включить включатель, показанный на рисунке. На амперметре отобразится величина электрического тока равная 12 мА (миллиампер).
Электрические величины, участвующие в наших экспериментах имеют следующие размерности:
Напряжение - вольты, в данном случае 12 V (вольт постоянного тока). При экспериментах, возможно, будут более низкие значения напряжения - милливольты (mV). 1 вольт = 1000 милливольт.
Ток - амперы, в данном случае доля ампера миллиампер (mA). 1 ампер = 1000 миллиампер.
Сопротивление - Ом. В нашем случае сопротивление имеет величину 1 Ком (kOhm). 1 килоом = 1000 Ом.
По закону Ома, между тремя величинами (ток - I, напряжение - U, сопротивление - R) существует математическая зависимость:
I = U/R, U = R*I, R = U/I
Используя формулы закона Ома, рассчитаем ток в нашей цепи:
I = 12/1000 = 0,012 А = 12 мА. Измеренный результат соответствует расчётному. Произведя измерение, следует выключить включатель .
Попробуем изменить значения элементов схемы и, произведя расчеты сравнить результаты с измеренными. Изменим, например, значение сопротивления. Для изменения значений элементов схемы следует выделить элемент на схеме и нажать правую кнопку мыши. В появившемся локальном меню выбрать опцию "Component Properties".
Далее, на панели "Resistor Properties", в закладке "Value", изменим значение "Resistance" на 100, а в поле множителя выберем Ом (омега).
Заодно изменим значение напряжения источника питания с 12 вольт на 10 вольт:
По закону Ома рассчитаем значение тока в новой цепи: I = U/R = 10/100 = 0,1 A = 100 mA. Включим питание и убедимся, что значения совпадают.
![](upkey.jpg)
Последовательное и параллельное включение сопротивлений
Для следующего эксперимента соберём схему, показанную на рисунке.
В цепи нашей схемы будет два резистора (R1 и R2) по 50 Ом включенные последовательно и источник питания (GV1) напряжением 10 вольт. При включении включателя схемы мы увидим, что ток, проходящий через последовательно включенные сопротивления одинаков в любой точке цепи - амперметры P1 и P2 показывают одинаковые результаты 100 мА. По закону Ома, рассчитаем общее сопротивление нашей цепи: R = U/I = 10/0,1 = 100 (Ом). Из схемы видно, что общее сопротивление цепи из последовательно включенных сопротивлений равно сумме этих сопротивлений (50 + 50 Ом).
Для включения обозначений элементов на схеме следует выделить элемент (например, сопротивление R1) и нажать правую кнопку мыши. В локальном меню выбрать опцию "Component Properties" и на панели "Resistor Properties" выбрать закладку "Label". В поле "Label" следует ввести нужное обозначение элемента - R1.
При параллельном включении сопротивлений, ток от источника питания будет разветвляться на сопротивления, и зависеть от их величины. Соберём схему, показанную на рисунке:
Из схемы видно, что общий ток (прибор Р3) равен 400 мА, а токи, проходящие через сопротивления, разделились и равны 200 мА. Сумма токов равна общему току. Так как величина сопротивлений R1 и R2 равна, то и токи равны. Изменим величину одного из сопротивлений, уменьшив его, например, до 10 Ом.
Мы видим, что с уменьшением сопротивления, ток в цепи этого сопротивления возрастает (Ir1 = 1А), а следовательно возрастает и общий ток Io = Ir1 + Ir2 = 1,2 А. Как рассчитать общее сопротивление цепи для параллельно включенных резисторов? Для этого воспользуемся формулой: 1/Ro = 1/R1 + 1/R2 = 1/10 + 1/50 = 0,1 + 0,02 = 0,12. В результате получим Ro = 1/0,12 = (8,33333333:) 8,3 Ом.
Общее сопротивление параллельно включенных сопротивлений всегда меньше меньшего из сопротивлений. В общем случае формула расчёта общего сопротивления из параллельно включенных n сопротивлений равна 1/Ro = 1/R1 + 1/R2 + ... + 1/Rn
Проверим правильность расчёта нашей цепи, найдя общий ток: I = U/R = 10/8,3 = 1,204819277108 = 1,2 A, что совпадает с показанием измерительного прибора Р3.
![](upkey.jpg)
Делитель напряжения
Очень часто при проектировании электронных схем требуется получить напряжение несколько ниже напряжения источника питания. Для получения дополнительных напряжений служит резистивный делитель напряжения.
Соберём схему, показанную на рисунке:
Для поворота элементов схемы служит кнопка "Rotate" на панели системных кнопок.
По закону Ома рассчитаем ток, проходящий в цепи: I = U/R = 10/(R1 + R2) = 10/200 = 0,05 A (50 mA). Теперь рассчитаем напряжение на одном из резисторов, например R2.
Ur2 = I * R2 = 0,05 * 100 = 5V.
Мы видим, что напряжение на сопротивлении R2 равно 5 вольт. Для того чтобы убедиться в этом добавим на схему вольтметр и проведём измерения. По результатам эксперимента видно, что измеренные результаты совпадают с расчётными.
Изменим сопротивление резистора R2, например на 50 Ом и посмотрим изменения в показаниях приборов.
В реальных схемах принято резистор R1 называть гасящим сопротивлением, а резистор R2 - нагрузкой.
При получении пониженных напряжений следует учитывать ток нагрузки и напряжение источника питания, и, исходя из тока нагрузки, рассчитывать сопротивление гасящего резистора. Например, если мы используем в качестве нагрузки лампу накаливания на напряжение 3V и мощностью P = 2W(ватт), то нам следует сначала найти ток, проходящий через лампу:
I = P/U = 2/3 = 0.666666666667 = 0,67 А.
Зная ток через лампу, рассчитаем её сопротивление (сопротивление нагрузки):
Rн = U/I = 3V/0,67A = 4,477611940299 = 4,48 Ом.
И, наконец, зная ток в цепи и сопротивление нагрузки, рассчитаем сопротивление гасящего резистора R1 при напряжении источника питания Ugv1 равного 10 вольт:
R1 = Ugv1/I - Rн = 10/0,67 - 4,48 = 11 Ом.
Имея исходные данные, соберём схему и сравним измеренные величины (лампа находится на панели "Indicators"):
Мы видим, что рассчитанные нами величины близки к измеренным. При практическом изготовлении делителей напряжения следует учитывать мощность гасящего резистора. Рассчитаем мощность гасящего резистора для нашего случая. Мощность P рассчитывается по формуле:
P = R * I2 = 11 Ом * 0,67A * 0,67A = 4.9379 = 5 Вт. Мы видим, что мощность резистора должна быть не менее 5 Вт. Если использовать резистор с меньшей мощностью, то он будет перегреваться в процессе эксплуатации и перегорит.
![](upkey.jpg)
Закон Кирхгофа
Следуя из закона Ома, закон Кирхгофа звучит так: сумма токов входящих в узел равна сумме токов выходящих из узла.
Например, на приведённой схеме, по закону Кирхгофа сумма токов I1 и I2 должна равняться сумме токов I3 и I4. Причём токов входящих в узел и токов выходящих из узла может быть сколь угодно.
Убедимся практически в справедливости закона. Соберём схему, показанную на рисунке:
Введём абсолютно произвольные значения сопротивлений цепи и посмотрим токи, проходящие через эти сопротивления. Токи, проходящие через сопротивления R1 и R2 являются входящими в узел, а токи, проходящие через сопротивления R3 и R4 являются выходящими из узла. Проверим равенство
Ir1 + Ir2 = Ir3 + Ir4; 3,978 + 27,84 = 10,61 + 21,21; 31,818 = 31.82 - равенство подтверждается.
Закон Кирхгофа удобно использовать на участках электрических цепей, где некоторые токи неизвестны.
|