Делитель напряжения

ДЕТАЛИ И МАТЕРИАЛЫ

• Калькулятор (или карандаш и бумага для арифметики).
• аккумулятор на 6 В
• Ассортимент резисторов номиналом от 1 до 100 кОм.

Я намеренно ограничиваю значения сопротивления между 1 кОм и 100 кОм для получения точных показаний напряжения и тока с помощью вашего измерителя.

При очень низких значениях сопротивления внутреннее сопротивление амперметра оказывает значительное влияние на точность измерения.

Очень высокие значения сопротивления могут вызвать проблемы при измерении напряжения, поскольку внутреннее сопротивление вольтметра существенно изменяет сопротивление цепи, когда он подключен параллельно с резистором большого номинала.

ПЕРЕКРЕСТНЫЕ ССЫЛКИ

Уроки электрических цепей , Том 1, глава 6:«Делительные схемы и законы Кирхгофа»

ЦЕЛИ ОБУЧЕНИЯ

• Использование вольтметра
• Использование амперметра
• Использование омметра
• Использование закона Ома
• Использование закона Кирхгофа о напряжении (KVL)
• Конструкция делителя напряжения

СХЕМА

ИЛЛЮСТРАЦИЯ

ИНСТРУКЦИИ

Здесь показаны три различных метода построения схемы:на макетной плате, на клеммной колодке и «произвольной формы».

Попробуйте построить одну и ту же схему, чтобы ознакомиться с различными методами строительства и их достоинствами.

Метод «произвольной формы», когда все компоненты соединяются вместе перемычками типа «крокодил», наименее профессионален, но подходит для такого простого эксперимента, как этот.

Конструкция макета универсальна и допускает высокую плотность компонентов (много деталей в небольшом пространстве), но это временное явление.

Клеммные колодки обеспечивают более прочную конструкцию за счет низкой плотности компонентов.

Выберите три резистора из своего ассортимента и измерьте сопротивление каждого из них омметром.

Запишите эти значения сопротивления ручкой и бумагой для справки при расчетах схемы.

Подключите три резистора последовательно и к 6-вольтовой батарее, как показано на рисунках.

После подключения резисторов измерьте напряжение батареи с помощью вольтметра, отметив это значение напряжения на бумаге.

Рекомендуется измерять напряжение аккумулятора при питании от него цепи резистора, потому что это напряжение может немного отличаться от состояния без нагрузки.

Мы увидели, что этот эффект усиливается в эксперименте с «параллельной батареей» при питании мощной лампы:напряжение батареи имеет тенденцию «проседать» или «падать» под нагрузкой.

Хотя эта схема с тремя резисторами не должна обеспечивать достаточно большую нагрузку (недостаточный потребляемый ток), чтобы вызвать значительный «провал» напряжения, измерение напряжения батареи под нагрузкой является хорошей научной практикой, поскольку дает более реалистичные данные.

Используйте закон Ома (I =E / R) для расчета тока в цепи, затем проверьте это рассчитанное значение, измерив ток с помощью такого амперметра (версия схемы с «клеммной колодкой» показана как произвольный выбор в методе построения):

Если сопротивление вашего резистора действительно составляет от 1 кОм до 100 кОм, а напряжение батареи примерно 6 вольт, ток должен быть очень маленьким значением в диапазоне миллиампер (мА) или микроампер (мкА).

Когда вы измеряете ток цифровым измерителем, измеритель может отображать соответствующий символ метрического префикса (m или µ) в каком-либо углу дисплея.

Эти индикаторы метрических префиксов легко не заметить при считывании показаний цифрового счетчика, поэтому будьте внимательны!

Измеренное значение тока должно точно соответствовать расчету по закону Ома.

Теперь возьмите рассчитанное значение тока и умножьте его на соответствующее сопротивление каждого резистора, чтобы спрогнозировать падение их напряжения (E =IR).

Переключите мультиметр в режим «напряжения» и измерьте падение напряжения на каждом резисторе, чтобы проверить точность ваших прогнозов.

Опять же, должно быть близкое соответствие между расчетными и измеренными значениями напряжения.

Падение напряжения на каждом резисторе будет составлять некоторую долю или процент от общего напряжения, отсюда и название делитель напряжения . отдано в эту схему.

Это дробное значение определяется сопротивлением конкретного резистора и общим сопротивлением.

Если на резисторе падает 50% от общего напряжения батареи в цепи делителя напряжения, эта доля в 50% останется неизменной до тех пор, пока значения резистора не изменятся.

Итак, если общее напряжение составляет 6 вольт, напряжение на этом резисторе будет 50% от 6 или 3 вольта. Если общее напряжение составляет 20 вольт, на резисторе упадет 10 вольт, или 50% от 20 вольт.

Следующая часть этого эксперимента - проверка закона напряжения Кирхгофа.

Для этого вам необходимо обозначить каждую уникальную точку в цепи номером.

Точки, которые являются электрически общими (напрямую соединены друг с другом с незначительным сопротивлением между ними), должны иметь одинаковые номера.

Пример с использованием чисел от 0 до 3 показан здесь как в иллюстративной, так и в схематической форме.

На иллюстрации я показываю, как точки в цепи могут быть помечены небольшими кусочками ленты, числа записаны на ленте:

Использование цифрового вольтметром (это важно!) измерить перепады напряжения вокруг контура, образованного точками 0-1-2-3-0.

Напишите на бумаге каждое из этих напряжений вместе с соответствующим знаком, указанным на измерителе.

Другими словами, если вольтметр регистрирует отрицательное напряжение, такое как -1,325 вольт, вы должны записать это число как отрицательное число.

Не делать не поменяйте местами соединения датчика расходомера со схемой, чтобы число читалось «правильно».

Математический знак очень важен на этом этапе эксперимента! Вот последовательность иллюстраций, показывающих, как «обойти» цикл схемы, начиная и заканчивая точкой 0:

Использование вольтметра для «обхода» схемы таким образом дает три положительных значения напряжения и одно отрицательное:

Эти числа, сложенные алгебраически («алгебраически» =с учетом знаков чисел), должны равняться нулю.

Это фундаментальный принцип закона Кирхгофа о напряжении:алгебраическая сумма всех падений напряжения в «петле» должна быть равна нулю.

Важно понимать, что обходной «контур» не обязательно должен быть тем же путем, что и ток в цепи, или даже допустимым путем.

Цикл, в котором мы подсчитываем падение напряжения, может быть любым набором точек . , если он начинается и заканчивается в одной и той же точке.

Например, мы можем измерить и сложить напряжения в контуре 1-2-3-1, и они также образуют нулевую сумму:

Попробуйте перейти между любым набором точек в любом порядке по вашей цепи и убедитесь сами, что алгебраическая сумма всегда равна нулю.

Этот Закон остается в силе независимо от конфигурации цепи:последовательной, параллельной, последовательно-параллельной или даже неприводимой сети.

Закон Кирхгофа о напряжении - это мощная концепция, позволяющая предсказать величину и полярность напряжений в цепи путем разработки математических уравнений для анализа на основе истинности всех напряжений в контуре, равных нулю.

Этот эксперимент призван предоставить эмпирические доказательства и глубокое понимание закона напряжения Кирхгофа как общего принципа.

КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

Список соединений (создайте текстовый файл, содержащий следующий текст, дословно):

 Делитель напряжения v1 3 0 r1 3 2 5k г2 2 1 3к r3 1 0 2к .dc v1 6 6 1 * Напряжения вокруг контура 0-1-2-3-0 алгебраически складываются с нулем:.print dc v (1,0) v (2,1) v (3,2) v (0,3) * Напряжения вокруг контура 1-2-3-1 алгебраически складываются с нулем:.print dc v (2,1) v (3,2) v (1,3) .конец 

Это компьютерное моделирование основано на номерах точек, показанных на предыдущих диаграммах для иллюстрации закона Кирхгофа (точки с 0 по 3).

Значения резистора были выбраны таким образом, чтобы обеспечить пропорции 50%, 30% и 20% от общего напряжения на R ₁ . , R ₂ , и R ₃ , соответственно. Не стесняйтесь изменять значение источника напряжения (в файле « .dc ”, Показанная здесь как 6 В), и / или номиналы резисторов.

При запуске SPICE напечатает строку текста, содержащую четыре значения напряжения, затем еще одну строку текста, содержащую три значения напряжения, а также множество других текстовых строк, описывающих процесс анализа. Сложите значения напряжения в каждой строке, чтобы увидеть, что сумма равна нулю.

СВЯЗАННЫЕ РАБОЧИЕ ТАБЛИЦЫ:

Рабочий лист схем делителя напряжения