3 Описание схемы для измерения напряжения и тока через конденсатор в процессе его заряда и разряда

На рисунке 2 представлена электрическая схема для измерения напряжения и тока через конденсатор в процессе его заряда и разряда.

Рисунок 2 – Снимок с экрана электрической схемы для измерения напряжения и тока через конденсатор в процессе его заряда и разряда

Электрическая схема состоит из последовательно включенных источника напряжения, коммутационного устройства и реального конденсатора. Источник напряжения содержит идеальный источник напряжения GB1 (эдс реального источника) с внутренним сопротивлением Ri. Реальный конденсатор содержит идеальный конденсатор С (без потерь) и эквивалентное последовательное сопротивление потерь ESR.

При заряде полностью разряженный конденсатор представляет короткое замыкание, а при разряде конденсатор замыкается накоротко. Токи короткого замыкания очень большие и могут вывести компоненты схемы из строя. Поэтому их желательно ограничить. Сопротивление Ri. выполняет функцию ограничителя максимального тока заряда и разряда, Кроме этого при заряде конденсатора Ri. разделяет эдс GB1 и напряжение на конденсаторе, а при разряде - коротко замкнутую цепь и напряжение на конденсаторе, В противном случае процесс изменения напряжения на конденсаторе при заряде-разряде наблюдать невозможно, так при заряде он будет всегда равен напряжению идеального источника напряжения , а при разряде будет замкнут проводником.

Изменение напряжения на конденсаторе и ток через него наблюдают с помощью двухканального осциллографа. С измерением напряжения на конденсаторе нет проблем, однако ток осциллограф не измеряет. Поэтому ток вначале преобразуют в напряжения при помощи резистора-датчика тока. Удобно использовать в качестве этого резистора сопротивление потерь ESR модели реального конденсатора.

При зарядке напряжение на конденсаторе изменяется согласно теории по следующему закону

Параметр называется постоянной времени заряда и определяется по формуле .

Конденсатор заряжается при до напряжения , равного напряжению идеального источника напряжения GB1. Применительно к нашему варианту = 12 В., а постоянная времени заряда - = 10³ · 100 · 10^-12 = 10^-7 с или 0,1 мкс.

При зарядке ток через конденсатор изменяется согласно теории по следующему закону

В начале заряда при t = 0, ток имеет максимальное значение и применительно к нашему варианту равен 12 мА

Ток , проходя через резистор ESR, вызывает на нем падение напряжения , которое равно

= 12 мА · 0,1 Ом = 1,2 мВ.

На рисунке 3 представлены названия органов управления применительно к нашему варианту.

Рисунок 3 – Установка необходимых значений органов управления

Наблюдение за изменением напряжения и тока конденсатора проводится с помощью осциллографа в режиме однократного запуска развертки от сигнала по входу Х. Режим синхронизации развертки переводится в положение «Ext». При измерении заряда конденсатора вход Х подключается к источнику напряжения через переключатель. При изменении положения переключателя из положения 2 в 1 формируется положительный фронт.

Для удобства анализа осциллограмм проводник для канала А усилителя вертикального отклонения имеет черный цвет, а проводник для канала В – красный цвет. Аналогичные цвета будут иметь осциллограммы.

Для получения режима однократного запуска необходимо на панели органов управления в секторе «Trigger» установить внешнее управление «Ext» запуска развертки по положительному фронту «Edge», как показано на рисунке 3.

По длине рабочей части дисплея осциллографа нужно уложить от 2 до 3 постоянных времени τ (0,1 мкс), то есть от 0,2 до 0,3 мкс. Длина экрана определяет размер осциллограммы по горизонтали и содержит 14 клеток (div). Тогда на одну клетку будет приходиться от 0,013 до 0,02 мкс. Выберем время на одну клетку (коэффициент развертки) 0,02 мкс/ клетка или как указано на осциллографе 0,02 μс/ div.

Высота рабочей части дисплея осциллографа определяет размер осциллограммы по вертикали и содержит 3 клетки вверх и 3 клетки вниз от средней линии.

На вход канала А усилителя вертикального отклонения подается напряжение с конденсатора. Осциллограмма напряжения на конденсаторе может отклоняться от средней линии максимум на напряжение источника питания, то есть 12 В. Тогда коэффициент отклонения вертикального усилителя должен быть 12 В/3 клетки равен 4 V/div. Установим ближайший в сторону увеличения имеющийся в этом осциллографе коэффициент отклонения вертикального усилителя 5 V/div.

На вход канала В усилителя вертикального отклонения подается напряжение, пропорциональное току через конденсатор. Осциллограмма тока (напряжения на резисторе ESR ) через конденсатор может отклоняться от средней линии на 1,2 мВ. Тогда коэффициент отклонения вертикального усилителя должен быть 12 мВ/3 = 4 мV/div или 400 μV/ div. Установим ближайший в сторону увеличения имеющийся в этом осциллографе коэффициент отклонения вертикального усилителя 500 μV/div.

Входы каналов А и В установим в состояние открытого входа «DC». Смещение по вертикали «Y position» осциллограмм относительно средней линии установим равным нулю, а смещение по горизонтали «X position» - 0,6 для гарантированного наблюдения начала процесса заряда. Вид развертки – временнáя «Y/T».

Для анализа осциллограмм по экрану осциллографа можно перемещать две вертикальные линии: одна красного цвета, а другая синего, называемые курсорами. Вверху красной линии имеется треугольник красного цвета с цифрой «1», а вверху синей линии имеется треугольник синего цвета с цифрой «2». Курсор мышки наводится на любой из этих треугольников, нажимается ее левая кнопка, и красный или синий курсоры помещаются в нужное нам положение в пределах поверхности экрана осциллографа. При этом курсор может пересекать осциллограмму, которая представляет собой линию графика зависимости напряжения от времени. Точка пересечения имеет координаты напряжение – время.

Осциллограф двухканальный, поэтому на дисплее могут присутствовать одновременно две осциллограммы, имеющие одинаковый масштаб по оси времени и, в общем случае, разные масштабы по оси напряжений. Соответственно точек пересечения, в общем случае, может быть четыре: две с красным курсором и две – с синим.

Конкретные значения этих параметров отображаются в трех окнах, расположенных сразу под экраном осциллографа.

В крайнем левом окне представлены следующие параметры, связанные с красным курсором «1»:

-Т1 – положение красного курсора «1» на оси времени;

- VA1 – напряжение для точки пересечения осциллограммы от канала А с красным курсором «1»;

- VВ1 – напряжение для точки пересечения осциллограммы от канала В с красным курсором «1».

В центральном окне представлены следующие параметры, связанные с синим курсором «2»:

-Т2 – положение синего курсора «2» на оси времени;

- VA2 – напряжение для точки пересечения осциллограммы от канала А с синим курсором «2»;

- VВ2 – напряжение для точки пересечения осциллограммы от канала В с синим курсором «2».

В крайнем правом окне представлены разностные значения времен и напряжений в пределах каждого канала (разностные значения времен для обеих каналов совпадают)