Экспериментальная часть. Приборы и оборудование

Приборы и оборудование

Функциональная схема лабораторной установки представлена на рис.6.8, где:

ФПЭ-08 (ПИ) – модуль “Заряд-разряд конденсатора”;

ИП – источник питания;

PQ – звуковой генератор;

МС – магазин сопротивлений (R₁);

МС – магазин сопротивлений (R₂);

МЕ – магазин емкостей (С);

РО – электронный осциллограф.

Метод измерения

Схема состоит из источника постоянного тока ИП, генератора низкочастотных синусоидальных импульсов (звукового генератора), преобразователя ПИ синусоидальных импульсов в прямоугольные положительной полярности (преобразователь импульсов позволяет получить прямоугольные импульсы, скважность которых меняется регулятором на лицевой панели), двух магазинов сопротивлений R₁ и R₂, магазина емкостей С и электронного осциллографа.

Подаваемый с выхода генератора синусоидальный импульс преобразуется в прямоугольный и через магазин сопротивлений R₂ подается на магазин емкостей С. Конденсатор заряжается. Время заряда конденсатора С можно изменять сопротивлением R₂. В момент паузы происходит разряд конденсатора по цепи R₁R₂C. Время разряда определяется параметрами этой цепи.

Визуально процесс заряда-разряда конденсатора можно наблюдать на экране осциллографа. Наиболее устойчивый режим работы данной схемы обеспечивается при изменении номинальных величин элементов RC – цепи в следующих пределах:

С=0,02÷0,04 мкФ; R₁=10²÷10³ Ом; R₂=1÷5 кОм; f_ген=0,5÷5 кГц.

При этом сравнительно полно происходит процесс заряда-разряда конденсатора. При увеличении сопротивлений и емкости больше определенных значений конденсатор не успевает полностью зарядиться и разрядиться за один период цикла. Наблюдаемые при этом кривые заряда и разряда изображены на

рис.6.9 штрихпунктирной линией.

Экспериментальная установка

Синусоидальный сигнал с амплитудой (1÷3) В подается от входных гнезд Х1, Х2 через разделительный конденсатор С₁ на компаратор D₁. Выходной сигнал компаратора управляет усилительным каскадом.

Для изменения скважности импульсов служит цепочка R₁ (потенциометр, установленный на передней панели), С₂, С₃. Емкость цепочки при помощи кнопочного переключателя S₁, установленного на передней панели, можно менять в два раза, подключив один конденсатор или подключив оба сразу, но таким образом осуществляется грубая регулировка скважности. Плавное изменение скважности осуществляется изменением активного сопротивления цепочки при помощи потенциометра R₁. На выходные гнезда Х₃, Х₄ подается сигнал прямоугольной формы положительной полярности амплитудой 11,5 В. С выходных гнезд преобразователя импульсов Х₃, Х₄ может сниматься сигнал синусоидальной формы или импульсы прямоугольной формы различной скважности. Для получения нужного сигнала на выходных гнездах Х₃, Х₄ используется переключатель S₂.

При нажатии кнопки S2.1 на выходе получаем сигнал синусоидальной формы, нажав кнопку S2.2 – прямоугольный импульс, кнопка S2.3 используется при проведении лабораторной работы ФПЭ-08, к этой кнопке подпаян диод VD1, препятствующий разряду емкости, исследуемой в работе, через ПИ в период паузы.

Порядок выполнения работы

1. Ознакомиться с работой звукового генератора и электронного осциллографа.

2. Установить следующие параметры выходного напряжения звукового генератора: частота 2 кГц, напряжение 2-3 В.

3. Установить импульсы наибольшей скважности. Для этого нажать левую кнопку “скважность–грубо” преобразователя импульсов ПИ (модуль ФПЭ-08). Ручку “скважность-точно” установить в крайнее правое положение.

4. Подготовить осциллограф к работе:

а) включить развертку электронного усилителя Y и установить частоту развертки, удобную для наблюдения сигналов частотой 2-10 кГц;

б) усиление по оси Y электронного осциллографа установить таким, чтобы можно было измерять переменное напряжение до 10 В;

в) установить время горизонтальной развертки луча таким, чтобы на экране помещалось 1-2 периода синусоидального напряжения частотой 2 кГц.

5. Включить лабораторный стенд и приборы.

6. Установить на экране осциллографа устойчивую картину.

7. Установить на магазине сопротивлений R₁ значение 10² Ом.

8. Установить на магазине сопротивлений R₂ значение 10³ Ом.

9. Установить на магазине емкостей значение С=2ּ10^-2 мкФ.

Задание 1: Изучение кривых заряда и разряда конденсатора

1. Установить усиление канала Y осциллографа таким, чтобы высота импульса на экране была максимальной. Совместить начало кривой заряда с началом шкалы осциллографа. Установить частоту развертки осциллографа такой, чтобы на экране уместилась полная кривая заряда и разряда конденсатора. Снять зависимость Y=f(X), измеряя X в секундах, а Y – в вольтах. Записать 8-10 значений X и Y. Результаты занести в таблицу 8.1, построить кривую заряда конденсатора.

2. Аналогичные измерения провести для кривой разряда, совместив начало кривой разряда с началом координат на шкале осциллографа. Результаты занести в таблицу 8.2, построить кривую разряда конденсатора.

3. По кривым заряда и разряда конденсатора определить время, за которое величина напряжения падает до половины первоначального значения (“половинное время”) и по формуле 8.10. вычислить время релаксации .

4. Не изменяя усиление канала Y осциллографа, получить на экране кривые заряда и разряда конденсатора при других значениях R₂ и С, оставляя неизменной величину сопротивления R₁=10² Ом.

Рекомендуемые значения R₂ и С следующие:

1) R₂=10³ Ом; C=2×10^-2÷4×10^-2 мкФ;

2) R₂=2×10³ Ом; C=1×10^-2 мкФ;

3) R₂=3×10³ Ом; C=1×10^-2 мкФ.

Измерить по наблюдаемым на экране осциллографа кривым релаксации заряда “половинное время” в делениях шкалы. Затем t_1/2 перевести в секунды.

Для получения достаточно полного процесса заряда и разряда конденсатора можно изменять частоту следования импульсов, меняя частоту звукового генератора.

5. Вычислить постоянную времени RC, используя значение параметров RC – цепи. Учесть, что при заряде конденсатора R=R₂, а при разряде R=R₁+R₂. Рассчитать отношение t_1/2 к RC для всех случаев по формуле

. (6.11)

6. Сравнить величину А с теоретическим значением, равным

.

7. Оценить погрешность измерений по формуле

,

где <А_ИЗМ> - среднее значение выполненных измерений.

Данные занести в таблицу 6.3.

Задание 2: Построение кривой разряда конденсатора в логарифмическом масштабе

Из формулы (6.8) находим

, (6.12)

Логарифмируя левую и правую части формулы (6.12), получаем

. (6.13)

Воспользовавшись данными таблицы 6.2, построить логарифмическую зависимость, характеризующую изменение напряжения на конденсаторе от времени t при разряде конденсатора, учитывая, что U₀=Y(0), U(t)=Y(X), X=t. Котангенс угла наклона полученной прямой есть характеристическое время релаксации заряда, или постоянная времени RC:

. (6.14)

Сравнить полученные результаты со значениями постоянной времени, найденными в задании 1.

Таблица 6.1

X, c
Y, В

Таблица 6.2

X, c
Y, В	U0=

Таблица 6.3

R2, ּ10^3 Ом	C, ּ10^-2 мrФ	t1/2	Aизм	δ

Контрольные вопросы

Дата добавления: 2015-06-04