Практическая работа 1 по программе Micro-CAP
методическая разработка

Лабораторная работа №1

«Знакомство с системой схемотехнического моделирования Micro-Cap»

Цель работы: Изучить основные возможности редактирования элементов, моделирования схем и построения их характеристик в программе Micro-Cap на примере получения внешних характеристик источников напряжения.

Ход работы:

1. Предварительный расчет

рис.1

1. Рассчитать и построить в Excel зависимость тока  I от сопротивления нагрузки Rн в цепи:

Принять:

Е = 2.4 В – ЭДС источника;

r = 320 Ом – внутреннее сопротивление источника;

Rн = 0, 10, 20, 40, 80, 160, 320, 640, 1280, 2560 и 5000 Ом – сопротивление нагрузки;

I = E/(r + Rн) – ток в нагрузке от сопротивления нагрузки Rн;

График I(Rн)  занести в соответствующий раздел отчета. Полученные данные занесите в табл. 1.

2. Для той же цепи рассчитать и построить в Excel следующие зависимости:

Uн = IRн = f(Rн)– падения напряжения на нагрузке от сопротивления нагрузки Rн;

Pист = EI = f(Rн)– мощность источника от сопротивления нагрузки Rн;

Pr = I2*r = f(Rн)– мощность, выделяемая на внутреннем сопротивлении источника от сопротивления нагрузки Rн;

Pн = I2*Rн = f(Rн)– мощность, выделяемая на нагрузке от сопротивления нагрузки Rн;

η = 100% * (Pн/Pист) = f(Rн)– коэффициент полезного действия (КПД) цепи от сопротивления нагрузки Rн

Данные графики занести в соответствующие разделы отчета. Полученные данные записать в табл. 1

Табл. 1

Рис.2

Для цепи рис. 2 с линейным источником переменного тока управляемым переменным напряжением (ИНУТ) рассчитать амплитуду напряжения Um на нагрузке, если управляющее сопротивление  γ = 3 Ом, управляющий ток  i(t)=2sin(2πft),  f=2 кГц, для двух значений сопротивлений нагрузки RН 100 Ом и 200 Ом.

Полученные данные записать в табл. 2.

Таблица 2.

2. Моделирование

1. Включить ПК и запустить программу Micro-Cap.

2. Соберите схему.

1.  Введите источник постоянной  ЭДС(BATTERY)E =2,4 B (V=2.4). Откройте меню Component\Analog Primitives\Waveform Sourses и выберите Battery. Курсор примет форму графического изображения батареи напряжения. Поместите его в рабочую область. Зафиксируйте положение, щелкнув левой кнопкой мыши. Появится окно Battery. Введите 2.4 в окне Value, в графе Show установите флажок. Убедитесь, что источник работает правильно. Щелкните мышкой на кнопке Plot. Появится окно Plot с зависимостью напряжения источника от времени. Закройте окно Plot и щелкните OK.

2. Введите землю (Component\Analog Primitives\Conectors\GROUND) снизу от источника V1.
3. Введите внутреннее сопротивление источника R1=r=320 Ом Component\Analog Primitives\Passive Components\Resistor. Расположите резистор возле источника. В появившемся окне Resistor в окне Value введите значение сопротивления 320 Ом, нажмите OK. Для поворота резистора используйте кнопку Rotate на основной панели инструментов или комбинацией клавиш Ctrl+R.
4. Введите сопротивление нагрузки резистор R2=RH  аналогично пункту 2.3, в поле Value введите переменную времени t и нажмите кнопку OK.
5. Введите проводники для соединения элементов нажав кнопку ввода ортогональных проводников Wire Mode и, удерживая левую кнопку мыши, «прочертите» соединяя необходимые полюсы элементов.

рис.3

6. Скриншот схемы поместите в отчет

3. Исследование характеристик источника

Все полученные графики заносить в отчет.

 Рис.4

3.1 Построение зависимости тока от сопротивления нагрузки. Выведите на экран зависимость тока от сопротивления нагрузки I(R2).Для этого в меню Analysis выберите команду Transient… На экране появится окно Transient Analysis Limits, в котором задайте параметры построения требуемого графика так показано на рис. 4

Time Range–5k– интервал (0…5 кОм);

Maximum Time Step–1– Максимальный шаг (1 Ом);

P номер окна -1- в котором будет построен график тока;

X Expression–R(R2)– аргументы функции тока;

Y Expression – I(R2) – имя функции тока;

X Range–5k– интервал отображения аргумента по осиX;

Y Range–8m– интервал отображения аргумента по осиX;

       Запустите построение графика, нажав кнопку RUN.

       На экране вы увидите зависимость тока от сопротивления нагрузки I(R2). Данный график занесите в соответствующий раздел отчета. Отметьте на графике величину тока источника (J) и величину тока при сопротивлении нагрузки равным внутреннему сопротивлению источника. Для точного определения величины тока нажмите на клавиатуре комбинацию клавиш  <Shift+Ctrl+X>. В появившейся форме Go To Xвведите величину сопротивления, например, 320. Нажмите клавишу Left и затем Close. На графике должны появиться координаты запрашиваемой точки. Полученные данные величин занесите в таблицу 1.

3.2 Построение зависимости напряжения от сопротивления нагрузки. Получите зависимость падения напряжения на нагрузке от сопротивления нагрузки V(R2). Для этого нажмите клавишу F9. Введите в окне Y Expression – V(R2)– имя функции напряжения, в окне Y Range – Auto и запустите построение кнопкой RUN.

      Данный график занесите в соответствующий раздел отчета. Отметьте на графике величину, к которой асимптотически стремится напряжение, и величину напряжения при сопротивлении нагрузки равной внутреннем сопротивлению источника. Аналогично предыдущему пункту, полученные данные напряжения занесите в табл. 1

3.3 Построение зависимости мощности источника от сопротивления нагрузки.

      Нажмите клавишу  F9 в окне Y Expression V(V1)*I(R2)– имя функции мощности источника, в окне Y Range – Auto. Запустите построение. Данный график занесите в соответствующий раздел отчета. Отметьте на графике точку максимальной мощности и величину мощности при сопротивлении нагрузки равной внутреннему сопротивлению источника. Полученные данные занесите в табл. 1

3.4 Построение зависимости мощности выделяемой на внутреннем сопротивлении источника от сопротивления нагрузки.

      Получите зависимость мощности, выделяемой на внутреннем сопротивлении источника (Pr=I*I*r). Нажмите клавишуF9, в окне Y Expression введите имя функции мощности тока I(R2)*I(R2)*R(R1). Y Range – Auto. Запустите. Данный график занесите в соответствующий раздел отчета. Отметьте на графике точку максимальной мощности и величину мощности при сопротивлении нагрузки равной внутреннему сопротивлению источника. Полученные данные занесите в таблицу 1.

3.5 Построение зависимости мощности выделяемой на нагрузке от сопротивления нагрузки. Получите зависимость мощности, выделяемой на нагрузке (PH=I*I*RH),от сопротивления нагрузки. Откройте окноTransien Analysis Limits и в поле Y Expression введите I(R2)*I(R2)*R(R2) – функция мощности. Запустите построение. Данный график занесите в соответствующий раздел отчета. Отметьте на графике точку максимальной мощности. Полученные данные величин мощности занесите в табл. 1.

3.6 Построение зависимости КПД цепи от сопротивления нагрузки.

      Получите зависимость КПД цепи(η=100*PH/Pист)от сопротивления нагрузки. По аналогии с предыдущими пунктами в поле Y Expression введите 100*I(R2)*I(R2)*R(R2)/(V(V1)*I(R2)) функция КПД. В полеY Range – Auto. Запустите построение. Данный график занесите в соответствующий раздел отчета. Отметьте на графики величину, к которой асимптотически стремится КПД, и величину КПД при сопротивлении нагрузки равной внутреннему сопротивлению источника. Полученные данные КПД занесите в табл. 1.

4. Исследование характеристик ИНУТ

4.1 Построение схемы с ИНУТ

       Выделите все элементы схемы и удалите (Del). Соберите новую схему с линейно зависимым источником переменного напряжения ИНУТ.

4.2 Введите ИНУТ(H1) в схему с управляющим сопротивлением γ=3 Ом. Для этого откройте пункт меню Component\Analog Primitives\Dependent Sourses и выберите элемент VofI. Курсор примет графическое изображение ИНУТ. Поместите его на рабочее поле. Зафиксируйте. Появится окно Linear VofI constantdependent sourse. Введите величину управляющего сопротивления 3(γ=3 Ом) в окне Value. Отметим, что изображения данного источника могут отличаться, если предварительно не привести его к ГОСТу.

4.3 Ввод источника управляющего тока, сопротивления нагрузки, земли.

      Введите источник управляющего синусоидального тока (I1) с амплитудой Im=2 A (A=2) и частотой f=2 кГц (F=2k). Для этого откройте меню Component\Analog Primitives\Waveform Sourses и выберите Current Sourse. Поместите источник на рабочую область. В окне характеристик Current Sourse на закладки SIN введите амплитуду и частоту управляющего токаA=2, F=2k. Остальные величины оставьте равными нулю. Щелкните на кнопке Plot появится окно с синусоидальной зависимостью управляющего тока от времени. Закройте окно.

       По аналогии с предыдущими пунктами введите сопротивление нагрузки Resistor величиной 100 Ом. Установите два элемента земля и соедините элементы проводниками как показано на рисунке 5

рис.5

4.4 Построение осциллограмм тока в цепи с ИНУТ.

Получите зависимость напряжения на нагрузке от времени uH(t) (V(R1))и управляющего тока i(t) (I(I1)). Для этого в меню Analisys выберите команду Transient…. Запустите построение со следующими настройками:

Time Range - 1m

Maximum Time Step – 1

Первая строка:

P – 1

X Expression – t

Y Expression – V(R1)

X Range – 1m

Y Range – Auto.

Вторая строка:

X Expression – t

Y Expression – I(I1)

X Range – 1m

Y Range – Auto.

* Далее в работах, где X Range или Y Range не определено в задании, необходимо поставить значение Auto в соответствующих полях.

На экране появятся два графика в одной системе координат. Занесите их в соответствующий раздел отчета. Отметьте на графиках величины амплитуд напряжения ИНУТ и управляющего тока. Полученные величины занесите в табл. 2.

Повторите этот эксперимент с другим сопротивлением нагрузки, например, R1=200Ом. Полученные данные занесите в табл. 2.

Сделайте вывод о влиянии сопротивления нагрузки на амплитуду тока ИНУТ.

Также повторите эксперимент с другим управляющим напряжением Um=3В (A=3).

Сделайте вывод о влиянии амплитуды управляющего напряжения на амплитуду напряжения ИНУТ.