ЭКСПЕРИМЕНТ 4 Последовательные схемы
Цели
После проведения данного эксперимента Вы сможете рассчитывать общее сопротивление нескольких включенных последовательно резисторов и использовать закон Кирхгофа для напряжений, чтобы осуществлять расчеты и измерения для последовательных схем.
Необходимые принадлежности
* Цифровой мультиметр
* Макетная панель
* Источник постоянного напряжения * Резисторы — 1/4 Вт, 5%:
один резистор 470 Ом,
один резистор 680 Ом,
один резистор 2, 2 кОм,
один резистор 4, 7 кОм,
один светоизлучающий диод (LED).
ВВОДНАЯ ЧАСТЬ
Имеется два основных способа подключения электронных компонентов к источнику питания. При последовательном включении все компоненты подключаются концами друг к другу, образуя простую цепочку, которая соединяется с источником питания. При параллельном включении (эксперимент 5) каждый из отдельных компонентов подключается непосредственно к источнику питания. Естественно, имеются более сложные схемы, в которых используются те или иные комбинации последовательных и параллельных соединений (эксперимент 6). В данном эксперименте Вы узнаете, как выполнять последовательное включение компонентов и осуществлять различные расчеты и измерения.
Сначала познакомимся с тем, как вычислять общее сопротивление последовательной схемы. Если два или более резисторов включены последовательно, общее сопротивление комбинации равно простой сумме отдельных сопротивлений.
Типичная последовательная схема показана на рисунке 4-1. Общее сопротивление Rт равно сумме отдельных сопротивлений, то есть:
Rт=R1+ R2+ R3
При показанных значениях сопротивлений резисторов общее сопротивление равно:
Rт= 50+ 75+ 30 = 1550м
Три отдельных резистора могут быть заменены единственным резистором с номиналом 155 Ом, при этом никаких изменений в токе схемы не будет.
Падение напряжения
Когда ток протекает через последовательную схему, на каждом сопротивлении происходит падение напряжения. Па рисунке 4-1 показана последовательная схема с напряжениями, указанными для каждого сопротивления. Заметьте полярность падения напряжения на каждом резисторе.
Рис. 4-1.
Конечно, напряжение, падающее на каждом резисторе, может определяться на основании закона Ома. В данном случае общин ток схемы умножается на величину сопротивления каждого резистора для получения соответствующего падения напряжения. Например, напряжение на R2:
V2 = IR2
Исключительно важной характеристикой последовательной схемы, что надо хорошо запомнить,
является то, что сумма отдельных падений напряжения равна напряжению источника. Заметьте на рисунке 4-1, что сумма, полученная сложением напряжений на резисторах R1, R2, и R3 такая же, как и общее приложенное напряжение.
Vs= V1 + V2 + V3
Это основное соотношение известно как закон Кирхгофа для напряжений. Закон этот чрезвычайно полезен при осуществлении расчетов для последовательных схем. При использовании данного соотношения различными способами можно легко выполнять анализ и разработку последовательных схем.
Токоограничивающие резисторы
Примером использования закона Кирхгофа является расчет последовательных гасящих резисторов. Последовательный гасящий резистор — это просто резистор, соединенный последовательно с некоторым устройством с той целью, чтобы понизить напряжение, прилагаемое к данному устройству. Такой резистор называется также токоограничивающим резистором. Часто оказывается необходимым, например, включать лампу накаливания от источника высокого напряжения. Чтобы избежать повреждения устройства при перенапряжении, резистор включается последовательно с устройством, чтобы погасить излишнюю величину напряжения (см. рис. 4-2). Кроме того, может оказаться необходимым включить трехвольтовую лампочку от батареи питания 12 В. Если приложить все напряжение 12 В к лампочке, последняя перегорит. Однако при включении последовательно с лампочкой резистора с правильно выбранным
сопротивлением на резисторе создастся падение излишнего напряжения 9 вольт, тогда как для лампочки останется только 3 вольта необходимого ей напряжения. Короче говоря, резистор выбирается для ограничения тока через лампочку до максимально безопасной величины.
Рис. 4-2.
Краткое содержание
В данном эксперименте Вы убедитесь, что общее сопротивление последовательной схемы равно сумме отдельных сопротивлений включенных последовательно резисторов. Затем Вы проверите справедливость закона Кирхгофа для напряжении. Наконец, Вы рассчитаете последовательный гасящий резистор для светоизлучающего диода.
Рис. 4-3.
ПРОЦЕДУРА
1. Используя значения, указанные на рис. 4-3, рассчитайте общее сопротивление схемы.
Rт= _____Ом (вычисленное значение)
2. Соберите схему, показанную на рисунке 4-3.
3. Используя Ваш мультиметр, измерьте общее сопротивление схемы.
Rт= ______Ом (измеренное значение)
4. Сравните Ваши вычисленное и измеренное значения и объясните возможную разницу.
Рис. 4-4.
5. Подключите источник питания 9 В к схеме (см. рис. 4-4).
6. Используя значение общего сопротивления, которое Вы подсчитали ранее, рассчитайте и запищите ожидаемый ток в цепи при приложенном напряжении 9 В. I =_____мА
7. Теперь, используя закон Ома, вычислите и запишите напряжение, падающее на каждом резисторе.
V1= _______ В
V2 = _______ В
V3= _______ В
8. Теперь вычислите и запишите сумму отдельных падений напряжения.
Vs=v1+v2+v3___В
9. Используя Ваш мультиметр, измерьте падение напряжения на каждом резисторе. Не забывайте, что Вы измеряете напряжения постоянного тока, и Вам следует прикасаться испытательными выводами мультиметра к выводам резистора в корректном направлении, чтобы получить правильные в отношении полярности показания. Заметьте полярности для падений напряжения в схеме на рисунке 4-4. Запишите Ваши измеренные падения напряжения, а затем вычислите их сумму.
V1=_____В
V2=______В
V3=____в
Vs=______В
10. Сравните Ваши измеренные и расчетные значения для падений напряжения и общего напряжения. Равна ли сумма падений ли напряжения напряжению источника? 11. Обратитесь к рисунку 4-5. Здесь показан светоизлучающий диод, который должен запитываться от источника питания 9 В. Ваша задача определить сопротивление последовательного гасящего резистора R1. В проводящем состоянии светоизлучающего диода на нем падает напряжение приблизительно 2 В. Ток величиной 15 мА требуется для обеспечения умеренной яркости. Рассчитайте сопротивление потребного последовательного гасящего резистора. Запишите это значение сопротивления. R1= ________ Ом
Рис. 4. 5.
12. Среди имеющихся в Вашей лаборатории резисторов выберите резистор с сопротивлением, ближайшим по величине к найденному Вами. Затем соберите схему, показанную на рисунке 4-5. Обеспечьте соблюдение полярности как для подключения батареи, так и для выводов светоизлучающего диода. При этом отрицательный вывод источника питания должен быть подключен к катодному выводу светодиода (этот вывод идентифицируется плоской стороной на корпусе диода). В символе светодиода стрелка является анодом, тогда как прямая черта соответствует катоду.
13. Если Вы рассчитали и выбрали корректное сопротивление резистора, должен загореться светоизлучающий диод. Измерьте падения напряжения на резисторе R1 и на светоизлучающем диоде (LED).
V1=______В
Vled=_____В
Vs=_______В
14. Равна ли сумма падений напряжения напряжению источника питания? Сравните измеренные и рассчитанные значения. Имеются ли какие-либо отличия? Объясните разницу, если таковая имеется.
ОБЗОРНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Два резистора (R1 и R2) соединены последовательно. Сопротивление R1 = 68 Ом. Общее сопротивление R = 150 Ом. Каково значение сопротивления R2?
а) 28 Ом,
б) 82 Ом,
в) 86 Ом,
г) 218 Ом.
2. В последовательной схеме падения напряжений на резисторах равны V1 = 2.5 В, V2, = 1,8 В, V3 = 3,4 В и V4 = 6, 9 В. Каково напряжение источника питания?
а) 10, 3 В,
б) 12, 1 В,
в) 12, 8 В,
г) 14, 6 В.
3. Справедливо ли высказывание: «Ток через все последовательно соединенные резисторы в схеме одинаков»?
а) да,
б) нет.
4. Лампочка напряжением 6 В потребляет ток 0, 15 А. Чтобы подключить ее к источнику питания 15В, Вам требуется последовательный гасящий резистор:
а) 33 Ом,
б) 50 Ом,
в) 60 Ом,
г) 120 Ом.
5. В последовательную цепь включены резисторы 180 Ом, 2, 7 кОм, 5, 6 кОм и 6, 8 кОм. На каком из резисторов будет наименьшее падение напряжения?
а) 180 Ом,
б) 2, 7 кОм,
в) 5, 6 кОм,
г) 6, 8 кОм.