Analiza prądu siatki prądu stałego

Fizyka - Obwody prądu przemiennego (część I - RL oraz RC) (Lipiec 2019).

$config[ads_text] not found
Anonim

Analiza prądu siatki prądu stałego

Techniki analizy sieci


Pytanie 1

Nie siedź tam! Zbuduj coś !!

Nauka matematycznego analizowania obwodów wymaga dużo nauki i praktyki. Zazwyczaj uczniowie ćwiczą poprzez pracę z wieloma problemami i sprawdzanie swoich odpowiedzi w porównaniu z tymi dostarczonymi przez podręcznik lub instruktora. Chociaż jest to dobre, istnieje o wiele lepszy sposób.

Dowiesz się o wiele więcej, budując i analizując rzeczywiste obwody, pozwalając swojemu sprzętowi badawczemu udzielić odpowiedzi "zamiast książki lub innej osoby. Aby odnieść sukces w budowaniu obwodów, wykonaj następujące kroki:

  1. Dokładnie zmierz i zapisz wszystkie wartości składników przed budową obwodu.
  2. Narysuj schemat obwodu, który będzie analizowany.
  3. Ostrożnie zbuduj ten obwód na płytce protezowej lub innym dogodnym podłożu.
  4. Sprawdź dokładność konstrukcji obwodu, po każdym przewodzie do każdego punktu połączenia i sprawdzaj te elementy jeden po drugim na schemacie.
  5. Matematycznie analizuj obwód, rozwiązując wszystkie wartości napięcia, prądu itp.
  6. Dokładnie zmierz te ilości, aby zweryfikować dokładność analizy.
  7. Jeśli wystąpią jakiekolwiek istotne błędy (większe niż kilka procent), dokładnie sprawdź konstrukcję obwodu względem diagramu, a następnie dokładnie oblicz ponownie wartości i ponownie zmierz pomiar.

Unikaj bardzo wysokich i bardzo niskich wartości rezystora, aby uniknąć błędów pomiarowych spowodowanych przez "ładowanie" miernika. Polecam rezystory od 1 kΩ do 100 kΩ, chyba że celem obwodu jest zilustrowanie wpływu obciążenia licznika! Jednym ze sposobów zaoszczędzenia czasu i zmniejszenia prawdopodobieństwa błędu jest rozpoczęcie od bardzo prostego obwodu i stopniowe dodawanie składników w celu zwiększenia jego złożoności po każdej analizie, zamiast budowania zupełnie nowego obwodu dla każdego problemu praktycznego. Inną techniką oszczędzającą czas jest ponowne użycie tych samych komponentów w różnych konfiguracjach obwodów. W ten sposób nie będziesz musiał zmierzyć wartości żadnego składnika więcej niż jeden raz.

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Pozwól, by elektrony same udzieliły odpowiedzi na twoje własne "problemy praktyczne"!

Uwagi:

Z mojego doświadczenia wynika, że ​​studenci potrzebują wielu ćwiczeń z analizą obwodów, aby stać się biegły. W tym celu instruktorzy zwykle zapewniają swoim uczniom wiele problemów związanych z praktyką i udzielają odpowiedzi uczniom, którzy mogą sprawdzić swoją pracę. Takie podejście sprawia, że ​​uczniowie biegle posługują się teorią obwodów, ale nie potrafią ich w pełni wykształcić.

Uczniowie nie potrzebują jedynie praktyki matematycznej. Potrzebują także prawdziwych, praktycznych ćwiczeń w budowaniu obwodów i korzystaniu z urządzeń testowych. Sugeruję następujące alternatywne podejście: uczniowie powinni budować własne "problemy praktyczne" z rzeczywistymi komponentami i próbować matematycznie przewidywać różne wartości napięcia i prądu. W ten sposób teoria matematyczna "ożywa", a uczniowie zyskują praktyczną biegłość, której nie zyskaliby jedynie przez rozwiązywanie równań.

Innym powodem zastosowania tej metody jest nauczenie studentów metody naukowej : proces testowania hipotezy (w tym przypadku matematycznych przewidywań) poprzez przeprowadzenie prawdziwego eksperymentu. Uczniowie będą również rozwijać prawdziwe umiejętności rozwiązywania problemów, ponieważ czasami popełniają błędy konstrukcyjne obwodu.

Spędź kilka chwil ze swoją klasą, aby zapoznać się z niektórymi "zasadami" budowania obwodów przed ich rozpoczęciem. Porozmawiaj o tych problemach ze swoimi uczniami w taki sam sposób, w jaki zwykle omawiasz pytania z arkusza roboczego, zamiast po prostu mówić im, czego powinni i czego nie powinni robić. Nigdy nie przestaje mnie dziwić, jak słabo studenci chwytają instrukcje, gdy są prezentowane w typowym wykładzie (monolog instruktorski)!

Uwaga dla instruktorów, którzy mogą narzekać na "zmarnowany" czas wymagany do tego, aby uczniowie zbudowali rzeczywiste obwody zamiast tylko matematycznej analizy obwodów teoretycznych:

Jaki jest cel studentów, którzy biorą udział w kursie "itemsheetpanel panel-default" itemscope>

pytanie 2

Tranzystor jest urządzeniem półprzewodnikowym, które działa jako regulator prądu stałego. Ze względu na analizę tranzystory są często uważane za źródła o stałym natężeniu:

Załóżmy, że musimy obliczyć ilość prądu pobieranego ze źródła 6-woltowego w tym obwodzie tranzystora z dwoma źródłami:

Wiemy, że połączone prądy z dwóch źródeł napięcia muszą dodać do 5 mA, ponieważ aktualne prawo Kirchhoffa mówi nam, że prądy dodają algebraicznie w dowolnym węźle. Bazując na tej wiedzy, możemy oznaczać prąd przez baterię 6-woltową jako "I", a prąd przez 7, 2 V jako "5 mA - I":

Prawo napięcia Kirchhoffa mówi nam, że algebraiczna suma spadków napięcia wokół jakiejkolwiek "pętli" w obwodzie musi wynosić zero. Na podstawie wszystkich tych danych obliczyć wartość I:

Wskazówka: Równoległe równania nie są potrzebne, aby rozwiązać ten problem!

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

I = 1, 9 mA

Uwagi:

Napisałem to pytanie w taki sposób, że naśladuje analizę prądu gałęzi / siatki, ale z dostateczną ilością dodanych informacji (a mianowicie, wartość bieżącego źródła), że istnieje tylko jedna zmienna do rozwiązania. Chodzi o to, aby przygotować studentów do zrozumienia, dlaczego równoczesne równania są niezbędne w bardziej złożonych obwodach (gdy niewiadomych nie wszystkie można wyrazić w kategoriach pojedynczej zmiennej).

pytanie 3

Ten obwód tranzystora zasilany jest przez dwa różne źródła napięcia, jeden z wyjściami 6 woltów, a drugi zmienny.

Tranzystory w naturalny sposób działają jako urządzenia regulujące natężenie prądu i są często analizowane tak, jakby były źródłami prądu. Załóżmy, że ten tranzystor miał prąd regulacyjny o wartości 3, 5 mA:

Jak wysokie musi być napięcie źródła zmiennego, dopóki prąd nie zostanie pobrany z akumulatora 6-woltowego "# 3"> Odsłoń odpowiedź Ukryj odpowiedź

E = 9, 5 V

Uwagi:

Celem tego pytania jest zachęcenie uczniów do zastosowania tego, co znają podstawowe "prawa" obwodu (prawo Ohma, KVL, KCL) do rozwiązania pojedynczej wartości napięcia. Jak zwykle, metoda rozwiązania jest o wiele bardziej wartościowa niż odpowiedź.

Jeśli niektórzy uczniowie są całkowicie zdezorientowani, jeśli chodzi o rozwiązywanie tego napięcia, sugerują, że "podpinają" podaną odpowiedź do obwodu i określają prądy i spadki napięcia. Co zauważają, kiedy to robią? Jakie niezwykłe warunki wyróżnia się zmiennym źródłem przy 9, 5 woltów? Czy którykolwiek z tych warunków rzeczy mogą mieć (lub powinny) znać przed znajomością napięcia zmiennej źródła, biorąc pod uwagę warunek ". . . brak prądu (wyciągnięty) z akumulatora 6-woltowego "?

Pytanie 4

Napisz dwa równania pętli KVL dla tego obwodu, używając I 1 i I 2 jako jedynych zmiennych:

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Równanie KVL dla pętli lewostronnej:

6 - 1000 I 1 - 1000 (I 1 + I 2 ) + 1 = 0

Równanie KVL dla pętli prawostronnej:

7, 2 - 1000 I 2 - 1000 (I 1 + I 2 ) + 1 = 0

Pytanie uzupełniające: jakie są wartości I 1 i I 2, oparte na tym systemie równań "uwagi ukryte"> Uwagi:

Równania uczniów mogą nie wyglądać dokładnie tak, jak te, w zależności od tego, jak "przeszli" wokół pętli, licząc spadki napięcia. Tak długo, jak wszyscy są w stanie osiągnąć te same odpowiedzi dla I 1 i I 2, nie ma to znaczenia. W rzeczywistości dobrze jest, gdy różni uczniowie proponują różne formy równań, aby zademonstrować, że te same odpowiedzi są uzyskiwane za każdym razem.

Pytanie 5

Opisz krok po kroku kroki wymagane do obliczenia wszystkich prądów i spadków napięcia w sieci prądu stałego przy użyciu metody siatki .

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Istnieje kilka podręczników i innych odniesień opisujących kroki wymagane w tej metodzie analizy. Zostawiam wam zadanie zbadania tych kroków!

Uwagi:

Uczniowie mogą znaleźć niewielkie różnice między odmianami metody analizy "Odgałęzienie" opisanej w różnych odsyłaczach. Różnice te nie mają jednak znaczenia.

Pytanie 6

Napisz równania KVL dla tego obwodu, biorąc pod uwagę następujące kierunki prądu siatki, a następnie rozwiązuj dla prądu ładowania przez baterię nr 1:

Teraz napisz równania KVL dla tego samego obwodu, po odwróceniu kierunku prądu siatki I 2 . Jak to odwrócenie prądu I2 siatki wpływa na zapis dwóch równań KVL, a także obliczenie odpowiedzi dla prądu ładowania baterii nr 1 "// www.beautycrew.com.au//sub.allaboutcircuits.com/images /quiz/01051x02.png ">

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Równania KVL z prądami I 1 i I 2 zazębiającymi się ze sobą za pomocą baterii nr 1:

0, 5I 1 + 0, 21 1 + 0, 2 (I 1 + I 2 ) + 1, 5 (I 1 + I 2 ) + 23, 5 - 29 = 0

1, 5 (I 1 + I 2 ) + 0, 2 (I 1 + I 2 ) + 0, 2I 2 + I 2 - 24, 1 + 23, 5 = 0

Równania KVL z prądami I 1 i I 2 zazębiającymi się ze sobą poprzez baterię nr 1:

0, 5 I 1 + 0, 21 1 + 0, 2 (I 1 - I 2 ) + 1, 5 (I 1 - I 2 ) + 23, 5 - 29 = 0

1, 5 (I 2 - I 1 ) + 0, 2 (I 2 - I 1 ) + 0, 2I 2 + I 2 + 24, 1 - 23, 5 = 0

I bat1 = 1.7248 A

Uwagi:

Twoi uczniowie mogą znaleźć układ równań KVL łatwiejszy z dwoma prądami siatki idącymi w tym samym kierunku przez baterię nr 1, ale powinni oni być w stanie dojść do tej samej odpowiedzi w dowolny sposób. Bardzo ważne jest, aby uczniowie zrozumieli technikę Mesh Current, że są w stanie poradzić sobie w obu sytuacjach!

Pytanie 7

Metoda analizy sieci "Siatki prądu" dobrze sprawdza się w obliczaniu prądów w niezbalansowanych obwodach mostowych. Weź ten obwód, na przykład:

Napisz trzy równania siatki dla tego obwodu, stosując następujące trzy prądy siatki:

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Trzy równania siatki:

170I 1 + 50I 2 - 120I 3 = 10

50I 1 + 300I 2 + 100I 3 = 0

-120 I 1 + 100I 2 + 420I 3 = 0

Uwagi:

Równania uczniów mogą nie wyglądać dokładnie tak, jak te, w zależności od tego, jak "przeszli" wokół pętli, licząc spadki napięcia. Dopóki wszyscy są w stanie osiągnąć te same odpowiedzi dla I 1, I 2 i I 3, nie ma to znaczenia. W rzeczywistości dobrze jest, gdy różni uczniowie proponują różne formy równań, aby zademonstrować, że te same odpowiedzi są uzyskiwane za każdym razem.

Szczególne znaczenie w tym problemie ma to, w jaki sposób uczniowie reprezentują dwa prądy siatki na jednym rezystorze w swoich równaniach. Częstym błędem dla początkujących analityków prądu siatki jest ignorowanie względnych kierunków prążków siatki. To ma ogromną różnicę, czy dwa prądy siatki idą w tym samym kierunku przez rezystor, czy idą w przeciwnych kierunkach!

Pytanie 8

Bardzo ciekawy styl dzielnika napięć pojawił się w wydaniu elektroniki, 10 maja 1973 roku. Zastosowano trzy połączone szeregowo ciągi rezystorów i zacisków połączeniowych, aby zapewnić 1000 stopni podziału napięcia z tylko 31 rezystorami, z tylko 3 różnymi wartościami rezystancji:

Przesuwając punkty połączenia między tymi ciągami rezystorów, na wyjściu można uzyskać różne ułamki napięcia wejściowego:

Dla celów analizy możemy uprościć dowolną konfigurację tego obwodu dzielnika napięcia w sieć mniejszej rezystancji, w tej postaci:

Narysuj uproszczone sieci dla każdej z dwóch podanych konfiguracji (V out = 6, 37 V i V out = 2, 84 V), pokazując wszystkie wartości rezystancji, a następnie zastosuj analizę prądu siatki, aby sprawdzić podane napięcia wyjściowe w każdym przypadku.

Uwaga: będziesz musiał rozwiązać zestaw równoczesnych równań: 4 równania z 4 niewiadomymi, aby uzyskać każdą odpowiedź. Gorąco polecam używanie kalkulatora naukowego do wykonywania niezbędnej arytmetyki!

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Jeśli potrzebujesz weryfikacji swojej pracy, powinieneś użyć programu do symulacji komputerowej, takiego jak SPICE, aby "wykonać matematykę" dla ciebie.

Uwagi:

W analizie tych dwóch konfiguracji obwodów jest dużo pracy konfiguracyjnej i arytmetyki. Ćwiczenie to jest nie tylko dokładnym zastosowaniem metody prądu siatki, ale służy również jako doskonała aplikacja do oprogramowania do symulacji komputerowej. Daj uczniom możliwość analizowania obu tych obwodów za pomocą oprogramowania symulacyjnego, aby docenili siłę tej technologii.

Zadaj swoim uczniom to pytanie: "Załóżmy, że uczeń wchodzi do ich obwodu w program symulacji komputerowej, a program daje im odpowiedź, która jest znana jako niepoprawna. Co to oznacza dla studenta "meta-tags hidden-print">

Powiązane narzędzia:

Edge Coupled Microstrip Impedancja Kalkulator Pi Kalkulator tłumika Konwerter temperatury

  • ← Poprzedni arkusz roboczy

  • Indeks arkusza roboczego

  • Następny arkusz roboczy →