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电路工程

准备对象：

实验室技能

编制者：

学生姓名

提交日期：

2^ND2024 年 12 月

总结

设计电路的目标之一是练习工程设计过程。实践欧姆定律、基尔霍夫电压 Law 和基尔霍夫电流定律也是该项目的主要提议。另一个目标是测试电路，以确保产品满足所有要求。

该项目首先为每个参与者分配一张图纸，其中包含每个节点的电压、电流和源电压值。每个参与者还通过一个试验板和 25 个电阻器获得了 5% 的容差e，这些电阻器± 5%。在这个项目中，必须设计和建造一个电路。使用 18 V DC 电源为该电路供电，电流为 0.0011 安培。制作此 circuit 的条件之一是在设计中至少使用一个并联 resistor 配置

对电路、分压器、欧姆定律以及 Krichhoff 的电压和电流定律进行了研究。研究发现，欧姆定律是解释电流、电阻和电压如何连接在一起的定律，因为以安培为单位的电流值与电压成正比，但与电阻成反比。

使用欧姆定律进行工程计算，以找到每个节点所需的电阻。然后，测试多种组合，直到找到与所需阻力相当的组合。然后使用提供的试验板和电阻器构建电路。在测试前几天对其进行了测试，以确保以伏特为单位的节点值等于或非常接近从计算中获得的理论值。在考试当天，对电路进行了测试。实际值非常接近理论值。由于最大百分比差异为 -0.80%，因此认为该产品为成功。

介绍

必须设计和创建具有一些限制的特定电路。为了给该电路供电，将使用电流为 0.0011 安培的 18 V 直流电源。该电路将包括 5 个不同的 resistor;必须通过将电阻器串联、并联或两者相接来产生相等的电阻。但是，设计中必须至少存在一个并联 resistor configuration。在本项目中，将使用容差± 5% 的电阻器。电压必须在节点 1 上为 16.427 V，在节点 2 上为 8.741 V，在节点 3 上为 5.111 V，在节点 4 上为 0.271 V，在节点 5 上为 0 V。每个参与者将获得一个面包板、四根电线以及 220 个Ω电阻器、330 个Ω电阻器、2200 个Ω电阻器、3300 个Ω和 10,000 个Ω电阻器
必须设计和创建具有一些限制的特定电路。为了给该电路供电，将使用电流为 0.0011 安培的 18 V 直流电源。该电路将包括 5 个不同的 resistor;必须通过将电阻器串联、并联或两者相接来产生相等的电阻。但是，设计中必须至少存在一个并联 resistor configuration。在这个项目中，将使用容差± 5% 的电阻器。电压必须在节点 1 上为 16.427 V，在节点 2 上为 8.741 V，在节点 3 上为 5.111 V，在节点 4 上为 0.271 V，在节点 5 上为 0 V。每个参与者将获得一个面包板、四根电线以及 220 个 Ω 电阻器、330 Ω电阻器、2200 Ω电阻器、3300 Ω和 10,000 Ω电阻器各 5 个。各 5 个。

图 1. 所需的电路设计。
图 1. 所需的电路设计。

背景信息

电路是一个封闭的圆圈，由电源激活。为了给物体供电，电流通过电路并返回到电源，从而保持电流从正极端子流向负极端子。负载是消耗移动能量并将其转化为功的物体。例如，灯泡会将电转化为热能和光（Partington）。

可以使用三种形式的电路：串联电路、并联电路和串并联电路。在串联电路中，能量只有一种流动方式，而并联串联包括多条用于传输电流的路径。这是一个重要因素，因为当串联电路断开时，所有负载设备都将无法正常工作。但是，当使用 parallel circuit 时，如果一条 path 无法使用，其他 paths 仍将运行（Partington）。

分压器是广泛使用的基本电路之一，它们可以定义为将高电压转换为低电压的电路。小于输入的输出电压可以使用两个串联电阻器和一个输入电压（“分压器”）来构建。

George Simon Ohm 是 1800 年代初期德国的一名教授。他将自己的发现记录在一本书中，起初被拒绝，但后来得到认可和接受，这导致了欧姆定律的诞生。欧姆定律是演示简单电路运作方式的定律。该定律证明了电流、电阻和电压在电路中使用时是如何相关的。该定律规定，以安培为单位的电流值与电压成正比，但与电阻成反比。该定律的数学公式为： $我= \frac{V}{R}$ ，其中 I 是以安培为单位的电流，V 是以伏特为单位的电压，R 是以欧姆（Uy）为单位测量的电阻。

电阻器是电路的重要组成部分之一，主要用于在电子元件中产生和保持安全的电流。电阻器的作用是抵抗电路内部流动的电流，它们旨在当电流流过电路时降低电压。电阻器之间的电阻值可能会有所不同，具体取决于制造电阻器时使用的材料。例如，为了获得更高的功率水平，将使用由金属丝和塑料或玻璃纤维管制成的绕线电阻器。要创建在高温环境中有用的电阻器，金属陶瓷或钽将是正确的选择，因为众所周知它们会吸收热量（Dellaporta）。

使用的公式：

$电压 (V) = 当前 (一个) × 抗性（ Ω)$
$电压（ V ） = 当前（一个） × 抗性（ Ω）$

当电阻器串联时： $R_{} = R_{} + R_{} + R_{} +…$

当电阻器并联时： $\frac{1}{R_{}} = \frac{1}{R_{}} + \frac{1}{R_{}} + \frac{1}{R_{}} +…$

$% 差异 = \frac{实际-理论}{情色} × 100%$

方法和程序

每个参与者都被分配了一个特定的 required 电路进行设计。电流和电压作为常数包含在内。

每个参与者都得到了一个面包板、四根电线，以及 220 Ω电阻器、330 Ω电阻器、2200 Ω电阻器、3300 Ω和 10,000 Ω电阻器各五根。

设计包流程开始。

确定并编写问题陈述。

相关理论和背景信息的研究已经完成。

工程计算开始了。

计算节点之间的 ΔV 值。

R_{情商}针对每个组合进行计算。

获得了所需的抵抗力。

在提供的电阻器之间选择最佳电阻组合已完成。

绘制了最终电路的草图。

电路的建造是按照草图设计完成的。

电路在测试日之前进行了测试，以确保其按照要求工作。

该电路在考试当天进行了测试并成功通过。

准备了一份正式的实验室报告，其中完整地记录了项目的细节。

图 2. 最终的电路设计

示例计算

$R(Ω) = \frac{ΔV （五）}{电流（A）} = \frac{1.573 伏}{一个 0.0011} =1430 Ω$
$R（ Ω） = \frac{ΔV （五）}{电流（A）} = \frac{1.573 伏}{一个 0.0011} =1430 Ω$

parallel 中的电阻器： $\frac{1}{R_{}} = \frac{1}{2200 Ω} + \frac{1}{3300 Ω} = \frac{1}{1320 Ω} ⟹ R_{} =1320 Ω$

串联电阻器： $R_{} + R_{} =1320 Ω+110 Ω=1430 Ω$

% 差异 $= \frac{16.40 伏至 16.427 伏}{16.427 伏} × 100%=-0.16%$

观察和结果

在测试电路后，发现实验值非常接近理论值。由于这些值在理论值的 ±5% 以内，因此该项目被认为已成功完成。下面的表 1 显示了所有具有计算百分比差异的值。

表 1：节点的理论和实验值：

	理论	实验的	% 差异
节点 1	16.427 伏	16.40 伏	-0.16%
节点 2	8.741 伏	8.75 伏	0.10 %
节点 3	5.111 伏	5.07 伏	-0,80 %
节点 4	0.271 伏	0.27 伏	-0.37 %
节点 5	0 伏	0 伏	0 %

图 3. 每个节点的百分比差异

讨论

测试后获得的实验值非常接近从工程计算中获得的理论值。百分比差异相当低且合理。值的差异很可能是由于构建电路时使用的材料。一个因素可能是使用的电阻器。由于制造错误，电阻器有时可能无法正常工作。此外，仅限于使用特定电阻器也是一个主要因素。获得的结果意味着需要按照工程设计过程来设计电路。这很重要，因为一旦遵循了这些步骤，项目失败的百分比就会相对较低。总体而言，该项目被认为是成功的，因为值差异不超过 5% ±。

结论

由于遵循设计过程步骤，该项目有效地完成了。定义问题是通过编写问题陈述来完成的，其中包括设计要求、约束和假设。信息是通过研究和阅读相关理论来收集的。之后，根据每个节点所需的电阻选择多种电阻器组合。最后，在测试日之前和测试当天对电路进行了测试，它满足所有要求。

引用

Dellaporta， J. “什么是电阻器？.“ wiseGEEK. . .http://www.wisegeek.com/what-is-a-resistor.htm（2013 年 11 月 17 日浏览）。
Dellaporta， J. “什么是电阻器？”.“ wiseGEEK . . .http://www.wisegeek.com/what-is-a-resistor.htm（2013 年 11 月 17 日浏览）。

帕廷顿，丽贝卡。“什么是电路？” wiseGEEK 的.http://www.wisegeek.org/what-is-an-electrical-circuit.htm（2013 年 11 月 17 日访问）。

乌伊，卡里兹。“什么是欧姆定律？.“ wiseGEEK. . .http://www.wisegeek.com/what-is-ohms-law.htm（2013 年 11 月 17 日访问）。

“分压器。” 火花乐趣。.https://learn.sparkfun.com/tutorials/voltage-dividers/introduction（2013 年 11 月 17 日访问）。
“分压器。“ 火花乐趣。.https://learn.sparkfun.com/tutorials/voltage-dividers/introduction（2013 年 11 月 17 日访问）。

附录

使用的公式：

$电压 (V) = 当前 (一个) × 抗性（ Ω)$
$电压（ V ） = 当前（一个） × 抗性（ Ω）$

当电阻器串联时： $R_{} = R_{} + R_{} + R_{} +…$

当电阻器并联时： $\frac{1}{R_{}} = \frac{1}{R_{}} + \frac{1}{R_{}} + \frac{1}{R_{}} +…$

$% 差异 = \frac{实际-理论}{情色} × 100%$

电阻器组合 1：

$ΔV=电压主节点 1 电压=18 V-16.427 V=1.573 V$

$R_{} = \frac{ΔV （五）}{电流（A）} = \frac{1.573 伏}{一个 0.0011} =1430 Ω$

$\frac{1}{R_{}} = \frac{1}{2200 Ω} + \frac{1}{3300 Ω} = \frac{1}{1320 Ω} ⟹ R_{} =1320 Ω$
$\frac{1}{R_{}} = \frac{1}{2200 Ω} + \frac{1}{3300 Ω} = \frac{1}{1320 Ω} ⟹ R_{} =1320 Ω$

$\frac{1}{R_{}} = \frac{1}{220 Ω} + \frac{1}{220 Ω} = \frac{1}{110 Ω} ⟹ R_{} =110 Ω$

$R_{} + R_{} =1320 Ω+110 Ω=1430 Ω= R_{}$

使用的电阻器：

$1 × OOR (3300 Ω)$
$1 × OOR （ 3300 Ω ）$

$1 × RRR (2200 Ω)$
$1 × RRR（ 2200 Ω ）$

$2 × RRB (220 Ω)$
$2 × RRB （ 220 Ω ）$

$Node 1 % Difference = \frac{16.40 V-16.427 V}{16.427 V} × 100%=-0.16%$
$节点 1 % 差异 = \frac{16.40 V-16.427 V}{16.427 V} × 100%=-0.16%$

Resistor Combination 2:
电阻器组合 2：

$ΔV=Node 1 Voltage-Node 2 Voltage=16.427 V-8.741 V=7.686 V$

$R_{} = \frac{ΔV (V)}{Current (A)} = \frac{7.686 V}{0.0011 A} =6987.27 Ω$
$R_{} = \frac{ΔV （V）}{电流（A）} = \frac{7.686 V}{0.0011 A} =6987.27 Ω$

$R_{} =3300 Ω+3300 Ω=6600 Ω$

$\frac{1}{R_{}} = \frac{1}{2200 Ω} + \frac{1}{330 Ω} = \frac{23}{6600 Ω} ⟹ R_{} = \frac{1}{\frac{23}{6600 Ω}} = 286.96 Ω$

$R_{} + R_{} =6600 Ω+286.96 Ω=6886.96 Ω≈ R_{}$

Resistors used:
使用的电阻器：

$2 × OOR (3300 Ω)$
$2 × OOR （ 3300 Ω ）$

$1 × RRR (2200 Ω)$
$1 × RRR （ 2200 Ω ）$

$1 × OOB (330 Ω)$
$1 × OOB （ 330 Ω ）$

$Node 2 % Difference = \frac{8.741 V-8.75 V}{8.741 V} × 100%=0.10%$
$节点 2 % 差异 = \frac{8.741 V-8.75 V}{8.741 V} × 100%=0.10%$

Resistor Combination 3:
电阻器组合 3：

$ΔV=Node 2 Voltage-Node 3 Voltage=8.741 V-5.111 V=3.63 V$

$R_{} = \frac{ΔV (V)}{Current (A)} = \frac{3.63 V}{0.0011 A} =3300 Ω$
$R_{} = \frac{ΔV （V）}{电流（A）} = \frac{3.63 V}{0.0011 A} =3300 Ω$

Resistors used:
使用的电阻器：

$1 × OOR (3300 Ω)$
$1 × OOR （ 3300 Ω ）$

$Node 3 % Difference = \frac{5.07 V-5.111 V}{5.111 V} × 100%=-0.80%$
$节点 3 % 差异 = \frac{5.07 V-5.111 V}{5.111 V} × 100%=-0.80%$

Resistor Combination 4:
电阻组合 4：

$ΔV=Node 3 Voltage-Node 4 Voltage=5.111 V-0.271 V=4.84 V$

$R_{} = \frac{ΔV (V)}{Current (A)} = \frac{4.84 V}{0.0011 A} =4400 Ω$
$R_{} = \frac{ΔV （V）}{电流（A）} = \frac{4.84 V}{0.0011 A} =4400 Ω$

$R_{} =2200 Ω+2200 Ω=4400 Ω$ = $R_{}$

Resistors used:
使用的电阻器：

$2 × RRR (2200 Ω)$
$2 × RRR （ 2200 Ω ）$

$Node 4 % Difference = \frac{0.27 V-0.271 V}{0.271 V} × 100%=-0.37%$
$节点 4 % 差异 = \frac{0.27 V-0.271 V}{0.271 V} × 100%=-0.37%$

Resistor Combination 5:
电阻器组合 5：

$ΔV=Node 4 Voltage-Node 5 Voltage=0.271 V-0 V=0.271 V$

$R_{} = \frac{ΔV (V)}{Current (A)} = \frac{0.271 V}{0.0011 A} =246.36 Ω$
$R_{} = \frac{ΔV （V）}{电流（A）} = \frac{0.271 V}{0.0011 A} =246.36 Ω$

$\frac{1}{R_{}} = \frac{1}{220 Ω} + \frac{1}{330 Ω} = \frac{1}{132 Ω} ⟹ R_{} =132 Ω$

$\frac{1}{R_{}} = \frac{1}{220 Ω} + \frac{1}{220 Ω} = \frac{1}{110 Ω} ⟹ R_{} =110 Ω$

$R_{} + R_{} =132 Ω+110 Ω=242 Ω≈ R_{}$

Resistors used:
使用的电阻器：

$3 × RRB (220 Ω)$
$3 × RRB （ 220 Ω ）$

$1 × OOB (330 Ω)$
$1 × OOB （ 330 Ω ）$

$Node 5 % Difference =0 V × 100%=0%$
$节点 5 % 差异 =0 V × 100%=0%$