6 Дослідження перехідних процесів в колах с джерелом постійної напруги

6.1 Мета роботи

Дослiдження перехідних процесів характеристик лінійних кіл. Аналіз відгуку кіл першого і другого порядку при вмиканні і вимиканні джерела постійної ЕРС, а також при дії у вигляді практичної -функції (). Експериментальне визначення сталих часу кілRL та RC і параметрів перехідного режиму в колі RLC.

6.2 Вказiвки до виконання лабораторної роботи

6.2.1 Опрацювати конспект лекцій та літературу [2, с. 17–51].

6.2.2 Згідно з даними табл.6.1 розрахувати сталі часу кілRC та RL при різних значеннях R. Розрахувати час встановлення перехідного процесу. Процес можна вважати встановленим, коли вільна складова зменшується до рівня 0,1 від максимального значення.

6.2.3 Зобразити залежності напруг на елементах кіл RL та RC при вмиканні та вимиканні (короткому замиканні) джерела постійної напруги. Відрізок часу між комутаціями вважати рівним 5.

6.2.4 Користуючись даними табл.6.1, визначити характер перехідного процесу в колі RLC при та . Для випадку аперіодичного процесу в колі розрахувати час збільшення струму до максимального значення t_max, а для випадку коливального процесу – період вільних коливань та логарифмічний декремент загасання.

Таблиця 6.1 – Значення елементів кіл

Номер макету	C, нф	L, мкГн	, Ом	Ом	, кОм	, кОм	, Ом	, Ом	Ri, Ом	RL, Ом	f, кГц
1	1,0	200	3,9	51	9,1	0,9	0	1000	1,5	3	100
2	1,2	200	4,4	62	10	1,0	0	850	1,5	3	105
3	1,5	200	3,9	82	11	1,1	0	800	1,5	3	110
4	1,2	200	5,1	39	12	1,2	0	860	1,5	3	115
5	1,3	200	7,5	30	13	1,3	0	820	1,5	3	120
6	1,4	200	8,2	43	15	1,5	0	800	1,5	3	125
7	1,5	200	12	120	13	1,3	0	780	1,5	3	130
8	1,6	200	9,4	91	12	1,2	0	750	1,5	3	135
9	1,7	200	16	130	11	1,1	0	700	1,5	3	140
10	1,0	200	11	100	10	1,0	0	680	1,5	3	145
11	1,9	200	3,9	39	9,1	0,9	0	650	1,5	3	150
12	2,0	200	7,5	91	15	1,5	0	660	1,5	3	155
13	1,0	200	8,2	68	13	1,3	0	920	1,5	3	160
14	1,2	200	7,5	100	12	1,2	0	850	1,5	3	165
15	1,5	200	8,2	110	11	1,1	0	750	1,5	3	170

6.2.5 Якісно зобразити часові діаграми напруг на ємності, індуктивності та струму в колі при аперіодичному і коливальному режимах при вмиканні та вимиканні джерела напруги, вважаючи відрізки часу між комутаціями .

6.3 Суть роботи

В роботі досліджують перехідні процеси в колах першого і другого порядкiв уразі підключення до джерела напруги. що має вигляд прямокутних імпульсів. В режимі імпульси мають довжину значно більшу, а в режимі "" – значно меншу ніж стала часукіл, що досліджуються. Вимірювання часових параметрів перехідного процесу в колі виконують по осцилограмах. Сталу часу можна визначити як інтервал часу, за який вільна складова напруги в колі першого порядку зменшується до рівня(– максимальне значення напруги).

Характер перехідного процесу в колі RLC залежить від величини коефіцієнта згасання кола, що визначається співвідношенням між активним і характеристичним опорами контуру. Якщо , то перехідний процес буде не коливальним (аперіодичним). У випадку, коли, має місце коливальний режим.

6.4 Опис лабораторної установки

Лабораторна установка складається з двох блоків: базового і змінного. Базовий блок описано в роботі 4.

• У змінному блоку, передня панель якого зображена на рис.6.1, розташовані:

• формувачі відеоімпульсів (і "") і радіоімпульсу (); формування здійснюється від генератор Г4– 18А, частоту якого слід встановити в межах 100– 170 кГц (див. табл.6.1);

• пристрій змінювання початкової фази радіоімпульсу;

• елементи R, L і C кола, що досліджується.

На верхній панелі змінного блоку (див. рис.6.1) зображені схеми кіл, перемикачі і тумблери.

Перемикач “Вхідна дія” дозволяє подавати на схему:

• періодичну послідовність прямокутних імпульсів (положення – ) тривалістю, яка імітує вмикання і вимикання джерела постійної напруги;

• імпульси малої тривалості (положення –"");

• послідовність радіоімпульсів (положення – ), яка імітує вмикання і вимикання синусоїдного джерела);

• безпосередньо синусоїдну напругу (положення –) від генератора Г4–18А.

Включення тієї або іншої схеми здійснюється перемикачем “Схема”, який має три положення: .

Перемикач “Осцилограф” здійснює комутації, необхідні для спостереження осцилограм напруги на різних елементах схеми ().

За допомогою трьох тумблерів змінюються опори R₁ (),R2 () іR3 () і в такий спосіб здійснюється зміна сталої часу кіл.

Гнізда базового блоку призначені:

• Г1 – для підключення генератора Г4–18А;

• Г3 – для підключення осцилографу С1-68 і дослідження напруг на елементах кіл ();

• Г4 – для підключення осцилографу С1-68 і дослідження параметрів вхідного джерела (, "",,);

• Г5 – для зовнішньої синхронізації осцилографа С1-68.

Потенціометр “Початкова фаза”, який розміщено з правого боку змінного блоку, дозволяє змінювати початкову фазу синусоїдної дії.

Параметри лабораторних установок наведено в табл.6.1.

6.5 Порядок виконання роботи

6.5.1 Підготувати до роботи лабораторну установку, генератор Г4–18А і осцилограф С1-68.

6.5.2 Встановити вихідну напругу генератора 1 В, частоту 100–170 кГц (згідно із табл.6.1). Підключити вихід генератора до гнізд Г1 лабораторної установки.

6.5.3 Підключити лабораторну установку до мережі змінного струму. Тумблер вмикання мережі поставити в положення “Вкл”.

6.5.4 Перемикач лабораторної установки “Вхідна дія” встановити в положення . До гнізд Г4 підключити вхід підсилювача вертикального відхилення осцилографа, до гнізд Г5 підключити вхід зовнішньої синхронізації осцилографа. Отримати на екрані осцилографа стале зображення вхідної дії у вигляді періодичного вмикання і вимикання постійної напруги.

6.5.5 Вибрати підсилення підсилювача осцилографа таким чином, щоб зображення не виходило за межі екрана. Вибрати час розгортки таким, щоб на екрані спостерігати 1–2 імпульси. Вимірити довжину імпульсів () та період повторення ().

6.5.6 Дослідити перехідний процес у колі RC. Вхід підсилювача вертикального відхилення осцилографа підключити до гнізд Г3 лабораторної установки. Перемикач “Схема” встановити в положення “1”. Спостерігати і зобразити у масштабі осцилограми перехідної напруги на резисторі (), пропорційної перехідному струму (), та перехідної напруги на ємності () при двох значенняхR₂. Безпосередньо по осцилограмам визначити сталі часу дляідля.

6.5.7 Дослідити перехідний процес у колі RL. Перемикач “Схема” встановити в положення “2”. Спостерігати і зобразити у масштабі осцилограми перехідної напруги на резисторі (), пропорційної перехідному струму (), та перехідної напруги на індуктивності ().при двох значенняхR₁. Безпосередньо по осцилограмам визначити сталі часу дляідля.

6.5.8 Дослідити перехідні процеси у колі RLC., Перемикач “Схема” встановити в положення “3”. Спостерігати і зобразити у масштабі осцилограми перехідної напруги на ємності (), перехідної напруги на індуктивності () і перехідної напруги на резисторі(), пропорційної перехідному струму () у коліRLC для режимів – аперіодичного і коливального. Вибір режиму здійснюється зміною активного опору кола R1, R3. У разі аперіодичної зміни струму експериментально визначити час t_max, за який струм збільшується до максимального значення. У коливальному режимі визначити період вільних коливань , декремент та логарифмічного декремент загасання.

6.5.9 Дослідити дію -функції на колоRLC. Перемикач “Схема” встановити в положення “3”. Спостерігати та зобразити у масштабі осцилограми напруги на ємності, індуктивності і резисторі в коливальному режимі.

6.6 Вказівки щодо обробки і оформлення результатів вимірювань

6.6.1 Зіставити отримані в п. 6.5.5 ізі сталими часу кіл.

.6.6.2 За даними визначити сталі часу кола RL.

6.6.3 Результати вимірів сталих часу у п.п. 6.5.7 і 6.5.7 порівняти з результатами розрахунків.

6.6.4 Порівняти для аперіодичного режиму у колі отриманий експериментально результат для часу t_max з результатом розрахунку.

6.6.4 Порівняти для коливального режиму у колі отримані експериментально та за результатами розрахунку значення для періоду вільних коливань та логарифмічного декременту загасання.

6.7 Зміст звіту:

– схеми кіл;

– домашнє завдання;

– розрахункові і експериментальні дані у вигляді таблиць і графіків;

– часові діаграми, побудовані по результатах п.п. 6.5.5–6.5.9.

Часові діаграми для кожного кола при кожному значенні опору будують у такій послідовності: вхідна дія у вибраному масштабі при вмиканні і вимиканні постійної напруги, далі у тому ж часовому масштабі напруга на кожному елементі кола, у вигляді окремого графіка.

Слід пам’ятати, що осцилограми є одним з методів вимірювання, тому від ретельності їх побудови залежить точність результатів лабораторної роботи.

6.8 Контрольні запитання та завдання

1. За яких умов у колі виникають перехідні процеси?

2. Сформулювати закони комутації. Зобразити схеми заміщення індуктивності та ємності за нульових початкових умов в момент часу .

3. У чому полягає класичний метод аналізу перехідних процесів? Пояснити поняття вільної та вимушеної складових струму (напруги).

4. Які схеми заміщення мають індуктивності та ємності при розрахунку вимушеної складової струму (напруги) при перехідних процесах з постійним джерелом?

5. Пояснити фізичний зміст сталої часу для кола RC. Чому стала часу пропорційна величині R ?

6. Пояснити фізичний зміст сталої часу для кола RL. Чому стала часу зменшується при зростанні величини R?

7. Опір Ом та незаряджена ємністьмкФ, які з’єднані послідовно, увімкнено придо джерела ЕРСВ. Знайти струм у колі.

Відповідь: А.

8. Чи може частота коливального розряду ємності в контурі RLC дорівнювати або перевищувати резонансну частоту цього контуру?

9. Обчислити частоту незгасаючих та вільнихколивань послідовного резонансного контуру з параметрамимГн,нФ,кОм.

Відповідь: рад/с;рад/с.

10. Скільки потрібно періодів коливань, щоб у послідовному резонансному контурі з логарифмічним декрементом загасання амплітуда струму зменшилася до одного відсотка свого початкового значення?

Відповідь: 230,3.