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. -аметьте 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. -аметьте 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. -акон 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. -атем 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. -аметьте полярности для падений напряжения в схеме на рисунке 4-4. -апишите 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. -десь 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. -апишите 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. -атем 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.

ОБ-ОРНЫЕ 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.