Описание установки

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, магазин 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 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 = 0,3 … 0,7 мкФ, R₁ = 10³ … 10⁴ Ом, R₂ =1 … 5 кОм.

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. 8 штрихпунктирной линией.

Порядок выполнения работы

1. Ознакомиться с электрической схемой согласно рис. 9.

2. Ознакомиться с работой звукового генератора и электронного осциллографа.

3. Подготовить звуковой генератор к работе. Установить следующие параметры выходного напряжения звукового генератора: частота 2 кГц, напряжение 2 – 3 В.

4. 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.

5. Подготовить осциллограф к работе:

а) усиление по оси Y электронного осциллографа установить так, чтобы можно было измерить переменное напряжение до 10 В;

б) установить время горизонтальной развертки луча так, чтобы на экране помещалось 1 – 2 периода синусоидального напряжения с частотой 2 кГц.

6. Включить лабораторный стенд и приборы.

7. Добиться на экране осциллографа устойчивой картины.

8. Установить на магазине сопротивлений R₁ значение R₁ = 10⁴ Ом.

9. Установить на магазине сопротивлений R₂ значение R₂ = 10³ Ом.

10. Установить на магазине емкостей значение С = 3·10^-2 мкФ.

Задание 1. Изучение кривых заряда и разряда конденсатора.

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

Таблица 1.

X, c
Y, B

Построить кривую заряда конденсатора.

2. Аналогичные измерения провести для кривой разряда, совместив начало кривой разряда с началом координат на шкале осциллографа. Результаты занести в табл. 2.

Таблица 2.

X, c
Y, B

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 (10) вычислить время релаксации τ.

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:

R₂ = 2·10³ ÷ 9·10³ Ом, С = 2·10^-2 ÷ 5·10^-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 поной картины процесса заряда и разряда конденсатора можно изменять частоту следования импульсов, меняя частоту сигнала звукового генератора.

5. Вычислить постоянную времени RC, используя значения 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:

. (11)

6. Сравнить величину А с теоретическим значением

А_теор = ln2 = 0,693.

7. Оценить погрешность измерений по формуле:

,

где - среднее значение выполненных измерений.

Задание 2. Построение кривой разряда конденсатора

в логарифмическом масштабе.

Из формулы (8) находим:

. (12)

Логарифмируя левую и правую части формулы (12), получим:

. (13)

Воспользовавшись данными таблицы 2, построить логарифмическую зависимость, характеризующую изменение напряжение 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:

ctgα = τ = RC. (14)

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