Экспериментальная установка и методика измерений

Блок-схема установки приведена на рис. 3.6.

Рис. 3.6. Блок-схема установки: звуковой генератор,

магазин сопротивлений (R₁), магазин сопротивлений (R₂), магазин

емкостей (С), преобразователь синусоидальных импульсов,источник

питания, электронный осциллограф

Установка состоит из источника постоянного тока, генератора низкочастотных синусоидальных импульсов (звукового генератора), преобразователя синусоидальных импульсов в прямоугольные положительной полярности (преобразователь импульсов пoзволяeт 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. Время заряда конденсатора С можно изменять сопротивлением R₂. В момент паузы по цепи происходит разряд конденсатора. 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 в цепи номинальных величин элементов в следующих пределах:С = 210^-2 мкФ; R₁ =10² Ом; f _ген= 0.5...5 кГц; R₂ =10³ Ом. 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. 3.7.

Рис. 3.7. Кривые заряда и разряда при различных значениях

сопротивлений и емкости

Задание 1. Изучение процесса заряда конденсатора.

Работу следует выполнять в следующем порядке.

1. Собрать электрическую схему, изображенную на рис.3.6.

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 (модуль 5). Ручку «скважность-точно» установить в крайнее правое положение.

4. Установить на экране осциллографа устойчивую картину.

5. Установить на магазине сопротивлений R₁ значение R₁ =10² Ом.

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

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

Снять зависимость Y =f(Х), измеряя Х в с, a Y - в В. Записать 8-10 значений X и Y. Результаты занести в таблицу. Построить кривую заряда конденсатора.

Задание 2. Изучение процесса разряда конденсатора.

Измерения, аналогичные заданию 1, провести для кривой разряда, совместив начало кривой разряда с началом координат на шкале осциллографа. Результаты занести в таблицу. Построить кривую разряда.

Обработка результатов

1. По кривым заряда и разряда конденсатора определить вpeмя, за которое величина напряжения падает до половины первоначального значения («половинное время») и по (3.10) вычислить время релаксации = R С .

2. 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; С = 21O^-2...41O^-2 мкФ;

2) R₂ = 210³ Ом; С = 11O^-2 мкФ;

3) R₂ = 310³ Ом; С = 11O^-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 сигнала звукового генератора.

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

. (3.11)

4. Сравнить величину А с теоретическим значением ln2,0=0,693.

5. Построить кривую разряда конденсатора в логарифмическом масштабе.

Из (3.8) находим:

. (3.12)

Логарифмируя левую и правую части (3.12), получаем:

. (3.13)

Построить логарифмическую зависимость, характеризующую изменение напряжения на конденсаторе от времени t при разряде конденсатора. Используя метод наименьших квадратов (приложение), определить угловой коэффициент полученной прямой . Для этого в (П.9) положить . Характеристическое время релаксации заряда или постоянная времени RC

. (3.14)

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