Аппаратное и программное обеспечение

Персональный компьютер, графический манипулятор мышь, программа Electronics Workbench 5.0.

Краткие теоретические сведения

Процесс, который существует в цепи длительное время, называется установившимся. Однако, всякому установившемуся режиму работы предшествует переходной процесс.

Переходным процессом называется особое явление, возникающее в электрической цепи при включении и отключении источников электрической энергии, питающих электрические цепи, или при изменении величины параметров цепи. Переходной процесс, переводит цепь из одного установившегося состояния в другое. По окончании переходного процесса в цепи снова наступает установившийся режим.

Коммутация – момент включения, отключения, переключения элементов цепи.

Расчетные формулы и графики зависимости, иллюстрирующие переходные процессы в цепях с реальной катушкой индуктивности и конденсатором представлены в таблице 9.1.

 

Таблица 9.1 – переходные процессы в RL, RC цепях

 

	Включение	Отключение
RL-цепь	̶ время, за которое ток в катушке индуктивности достигает 0,63 от установившегося значения	– время, за которое ток в катушке уменьшится в 2,7 раза (или e) от установившегося значения
RC-цепь	– время, за которое напряжение на конденсаторе достигает значения 0,63 от установившегося значения	– время, за которое напряжение на конденсаторе уменьшится в 2,7 раза (или e) от установившегося значения

 

Законы коммутации

I закон коммутации

Ток в цепи с катушкой индуктивности не может измениться скачком. В начальный момент после коммутации ток в цепи с индуктивностью остается таким же, каким он был непосредственно перед коммутацией, а затем плавно изменяется в течение времени переходного процесса.

II закон коммутации

Напряжение на конденсаторе не может измениться скачком. Значение напряжения до коммутации равно значению, которое стало сразу после коммутации:

Переходные процессы описываются дифференциальным уравнением, решением которого является сумма вынужденной и свободной составляющих. Свободная характеризует состояние цепи без влияния внешнего источника. Вынужденная характеризует состояние цепи по окончании переходного процесса.

Домашнее задание

Подготовить ответы на вопросы самопроверки.

Рассчитать закон изменения тока и напряжения на конденсаторе при включении цепи RC на постоянное напряжение, задаваясь значениями времени t = 0; τ; 2τ; 3τ; 4τ; 4,6τ. Рассчитать значение постоянной времени цепи. Значение ЭДС (Е) равно номеру записи учащегося в учебном журнале, (В), R = 1280 Ом, С = 29 нФ

 

Рисунок 9.1 – Линейная электрическая RC цепь

 

По результатам расчета построить график изменения напряжения и_с = f (t).

 

    

Рисунок 9.2 – График зависимости и_с = f (t)

Порядок выполнения работы

Исследовать переходные процессы в цепи RC. Собрать схему электрической цепи, представленную на рисунке 9.3 согласно методическому руководству. В данной схеме используются:

G – генератор сигнала

Осц. – осциллограф

 

 

 

Рисунок 9.3 – Схема исследований цепи RC

 

Изменять сопротивления резистора R (R =1280, 640, 160, 20 Ом). Зарисовать полученные осциллограммы в отчет.

 

    

 

Рисунок 9.4 – Временные диаграммы при R =1280 Ом

 

 

Рисунок 9.5 – Временные диаграммы при R =640 Ом

 

 

Рисунок 9.6 – Временные диаграммы при R =160 Ом

 

 

Рисунок 9.7 – Временные диаграммы при R =20 Ом

Установить величину сопротивления резистора R = 1280 Ом. Подключить параллельно конденсатору С₁ конденсатор С₂=18 нФ. Включить режим анализа схемы. Зарисовать полученные осциллограммы входного и выходного напряжения.

 

Рисунок 9.8 – Схема исследований цепи RC с параллельным

 конденсатором С₂

 

 

Рисунок 9.9– Временные диаграммы при параллельном

 соединении конденсаторов

 

Конденсатор С₂ отключить от схемы. Установить длительность импульса (duty cycle) равной 10%. Зарисовать полученные осциллограммы в отчет.

 

 

 

Рисунок 9.10 – Временные диаграммы при duty cycle = 10%

 

Исследовать изменение напряжения на катушке индуктивности. Собрать схему электрической цепи, представленную на рисунке 9.11 согласно методическому руководству. В данной схеме используются:

G – генератор сигнала

Осц. – осциллограф

 

Рисунок 9.11 – Схема исследований цепи RL

 

Изменять сопротивления резистора R (R =1280, 640, 160, 20 Ом). Зарисовать полученные осциллограммы в отчет.

     

 

 

Рисунок 9.12– Временные диаграммы при R =1280 Ом

 

 

Рисунок 9.13 – Временные диаграммы при R =640 Ом

 

 

Рисунок9.14 – Временные диаграммы при R =160 Ом

 

 

Рисунок 9.15 – Временные диаграммы при R =20 Ом

Установить длительность импульса (duty cycle) равной 10%. Зарисовать полученные осциллограммы в отчет.

 

 

Рисунок 9.16 – Временные диаграммы при duty cycle = 10%

 

Исследовать изменение тока в цепи с индуктивностью в переходном режиме: собрать схему электрической цепи, представленную на рисунке 9.17 согласно методическому руководству. В данной схеме используются:

G – генератор сигнала

Осц. – осциллограф

.

 

Рисунок 9.17 – Схема исследований цепи RL

Изменять сопротивления резистора R (R =1280, 640, 160, 20 Ом). Зарисовать полученные осциллограммы в отчет.

                     

 

 

Рисунок 9.18 – Временные диаграммы при R =1280 Ом

 

 

Рисунок 9.19 – Временные диаграммы при R =640 Ом

 

 

Рисунок 9.20 – Временные диаграммы при R =160 Ом

 

 

Рисунок 9.21 – Временные диаграммы при R =20 Ом

Установить длительность импульса (duty cycle) равной 10%. Зарисовать полученные осциллограммы в отчет.

 

 

 

Рисунок 9.22 – Временные диаграммы при duty cycle = 10%

Контрольные вопросы

1 Конденсатор заряжается от источника электрической энергии за время 0,5 с. Изменится ли постоянная времени τ и время переходного процесса при заряде конденсатора от источника с большим напряжением? Почему? ________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

 

2 Укажите, в какой момент начинается переходной процесс и  за какое время переходной процесс считается законченным.

____________________________________________________________________________________________________________________________________

 

3 Поясните, как влияет резистивное сопротивление R на длительность переходного процесса в цепи RL и RC?

________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Выводы: ________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

 

 

«___»__________20____г

 

Лабораторная работа № 10

ИССЛЕДОВАНИЕ ДИФФЕРЕНЦИРУЮЩИХ И ИНТЕГРИРУЮЩИХ ЦЕПЕЙ

Цель работы

Изучить свойства дифференцирующих и интегрирующих цепей. Экспериментально определить форму сигналов на выходе дифференцирующих и интегрирующих цепей при различном воздействии. Исследовать активные дифференцирующие и интегрирующие цепи.