Аппаратура и материалы

Для выполнения работы необходим специализированный лабораторный стенд «Луч», включающий в себя все элементы, применяемые в лабораторной работе №8.

Указания по технике безопасности

Так как лабораторная работа выполняется на специализированных лабораторных стендах «Луч», содержащих стандартный набор элементов и приборов, то при ее выполнении необходимо придерживаться требований к технике безопасности, изложенным в лабораторной работе 5 (страница 12).

Методика и порядок выполнения работы

1. Для наблюдения формы кривой напряжения на конденсаторе при подаче постоянного напряжения собрать цепь по схеме рисунок 28 а. Регуляторы на блоках стенда установить в следующие позиции:

– на блоке питания включить тумблеры «сеть», «генератор», «коммутатор-осциллограф»;

– переключатель П_ф на блоке Г-2 установить в положение « - var»;

– на блоке Г-1: тумблер «генератор» установить в позицию «внутр», переключатель диапазонов – в положение «0,2–2 кГц». Плавным регулятором установить частоту 500 Гц (отметка 50 на шкале частотомера);

– на блоке Г-3: тумблер «пределы» – 10 В, а регулятором выходного напряжения установить стрелку вольтметра V1 на отметку 40 по верхней шкале;

– на магазине сопротивлений R_M установить сопротивление 2560 Ом;

– на блоке ЭК: тумблер «каналы» – в среднее положение (1+2), тумблер «ослабление» – 1:10, а тумблеры «1 канал» и «Вход X» – в положение «внутр.». При этом к первому каналу будет подведено напряжение прямоугольной формы с периодом 2 мс=2000 мкс, а ко второму каналу – напряжение с таким же периодом, но формой несколько отличающейся от прямоугольной, так как это напряжение снимается с конденсатора С_в. Регулятор «усил. X» установить в такое положение, при котором размер изображения по горизонтали находится в пределах сетки на экране, а регулятор «развертка» – в такое положение, при котором период каждого изображения занимает 8 клеток, при этом цена клетки будет 2000/8=0,25 мc/кл. C помощью регулятора «расхождение» установить изображение первого канала в верхней части экрана, а второго канала в нижней. С помощью регуляторов «усиление плавно» установить размах изображения по 3 клетки каждое. Так как при Ом режим работы цепи близок к критическому, т.е. , то форма напряжения на конденсаторе будет близкой к форме входного напряжения. Уменьшить сопротивление R_M до 160 Ом. При этом R< , и режим окажется колебательным. Причем, чем меньше будет сопротивление R, тем больше будет добротность цепи и меньше декремент затухания, тем медленнее устанавливается вынужденный режим и тем большее количество колебаний совершится за время переходного процесса.

Зарисовать получившиеся осциллограммы с координатной сеткой, указать параметры цепи.

2. Устанавливать на магазине R_M поочередно величины сопротивления 160–320–640–1280–256О–5120 Ом. Зарисовать три характерных изображения. Указать параметры цепи.

3. Вместо конденсатора С_в включить конденсатор С_а, емкость которого больше, чем емкость конденсатора С_в (номиналы емкостей приведены в таблице на лабораторном стенде). Сопротивления магазина R_M изменять от 160 до 5120 Ом, зарисовать три характерных изображения.

4. Вместо конденсатора C_a подключить конденсатор С_н, емкость которого С_н> С_а. Проделать аналогичные эксперименты.

5. Вместо конденсатора С_н подключить конденсатор С_к, у которого С_к<<C_в. Проделать аналогичные эксперименты. Сравнить кривые напряжения на конденсаторе при различных значениях емкости С.

6. Вместо конденсатора С_к подключить конденсатор С_в. Конденсатор и активное сопротивление R_M поменять местами, при этом получится цепь, указанная на рисунок 28 б. При этом ко второму каналу осциллографа будет подводиться напряжение U_R, снимаемое с R_M. Это обеспечит возможность

Рисунок 28 – Схемы исследуемых цепей (а, б) и примерная кривая

изменения тока (в) для схемы (б)

наблюдать на экране осциллографа формы кривых зарядного тока , т. к. напряжение U_R равно: .

Изменять сопротивление R_M от 160 до 5120 Ом. Зарисовать три характерные кривые тока . Эксперименты проделать при емкостях С_в и С_к.

6.1. Для одной из снятых выше осциллограмм при включенной в схему емкости С_к рассчитать параметры R и L активно-индуктивной цепи. Примерная кривая изменения тока приведена на рисунке 28 в.

Для вычисления параметров R и L по кривой колебательного заряда определить коэффициент затухания и частоту собственных затухающих колебаний .

Для решении поставленной задачи необходимо определить масштаб времени (рисунок 28 в), найти период собственных затухающих колебаний , который равен времени между двумя ближайшими точками кривой тока , имеющими одну и ту же фазу колебаний. В качестве таких точек целесообразно взять амплитудные значения (рисунок 28 в).

Определив период , необходимо найти угловую частоту собственных затухающий колебаний .

Коэффициент затухания определяется следующим образом. Уравнение, описывающее форму зарядного тока

(43)

справедливо для любого момента времени, в том числе и для выделенных через период двух соседних максимальных значений тока (рисунок 28 в).

Тогда

и .

(44)

Разделив второе уравнение на первое и прологарифмировав, получим выражение для определения коэффициента затухания

.

(45)

По и вычислить параметры R и L заданной цепи.

Известно, что при колебательном заряде корни характеристического уравнения должны получиться комплексно сопряженными:

(46)

7. Для наблюдения формы кривой напряжения на индуктивности собрать цепь, указанную на рисунке 29. При этом ко второму каналу осциллографа будет подведено напряжение, снимаемое с катушки индуктивности. Изменяя сопротивление R_M от 160 до 5120 Ом, зарисовать три характерных осциллограммы.

8. Исследовать переходный процесс при подключении цепи к генератору радиоимпульсов. Радиоимпульсами называются сигналы (рисунок 30), у которых половина периода представляет паузу, а вторая половина периода заполнена гармоническими колебаниями с частотой , период колебаний которых много меньше времени заполнения ( << ).

Рисунок 29 – Исследование напряжения на индуктивном элементе

Такие сигналы часто называют также «пакетами с высокочастотным заполнением». Сигналы такого вида представляют гармоническое напряжение, включающееся и выключающееся через промежутки времени, равные >> , где – круговая частота высокочастотного заполнения. Во всех стендах мкс.

Если частота отличается от частоты свободных колебаний контура , то напряжение на выходе контура будет представлять биения с частотой , если , то , и в этом случае амплитуда огибающей выходного напряжения нарастает и спадает по экспоненциальному закону.

Рисунок 30 – Сигналы вида «радиоимпульсов»

Произвести следующие переключения на стенде. Регулятор «частота плавно» на блоке Г-1 повернуть против часовой стрелки до отказа; переключатель Пф на блоке Г-2 установить в позицию « ». Регулятор выходного напряжения на блоке Г-3 повернуть по часовой стрелке до отказа, на магазине R_M установить сопротивление 80 Ом, с помощью регуляторов на ЭК изображение напряжения высокочастотного пакета, подведенного к входу первого канала, установить так, как показано на рисунке 31 (размах – 1 клетка; время заполнения – 3 клетки: паузы – 3 клетки). Если кГц, т.е. период гармонического заполняющего напряжения составляет 50 мкс, время пакета – 200 мкс, то в пакете уложится пять периодов заполняющего напряжения. Так как внешняя частота и при этом отличается от частоты свободных колебаний контура , то амплитуда выходного напряжения будет малой.

Рисунок 31 – Вид радиочастотного сигнала на экране осциллографа

9. Медленно увеличивать частоту на генераторе. По мере приближения внешней частоты к частоте свободных колебаний амплитуда огибающей выходного напряжения будет возрастать и биения станут более заметными. Найти частоту, при которой внешняя частота совпадает с частотой свободных колебаний . При этом амплитуда огибающей выходного напряжения возрастает и спадает по экспоненциальному закону за счет резонансных явлений (рисунок 32). Записать величину частоты и зарисовать изображения.

10. Зарисовать изображения при двух различных частотах биений. Убедиться, что биения получаются как при < , так и при > .

11. Установить на генераторе резонансную частоту . Увеличивать сопротивление магазина R_M от 160 до 1280 Ом. Зарисовать три характерных изображения.

Рисунок 32 – Вид резонансной кривой при подключении RLC-цепи к

генератору радиоимпульсов

Убедиться, что по мере увеличения сопротивления цепи добротность и практическое время переходного процесса уменьшаются. Размах выходного напряжении при этом становится меньше, но вынужденный режим устанавливается быстрее, выходное напряжение оказывается менее искаженным по сравнению с входным.