Частина 1. Основи електроніки

ЗМІСТ

Вступ............................................................................................. 4

Вимоги до оформлення звіту...................................................... 5

Частина 1. Основи електроніки

Лабораторна робота № 1

Перевірка правил напруг та струмів............................. 11

Лабораторна робота № 2

Перевірка правил Кірхгофа............................................ 15

Лабораторна робота № 3

Лінійні елементи кіл гармонічного струму................... 19

Лабораторна робота № 4

Дослідження резонансних кіл......................................... 25

Лабораторна робота № 5

Дослідження RC фільтрів................................................ 28

Лабораторна робота № 6

Дослідження напівпровідникових приладів................. 34

Лабораторна робота № 7

Вторинні джерела живлення........................................... 40

Лабораторна робота № 8

Підсилювальні каскади на транзисторах..................... 46

Частина 2. Основи теорії сигналів

Лабораторна робота № 1

Генерація гармонічних сигналів.................................... 11

Лабораторна робота № 2

Вивчення операційних підсилювачів............................ 16

Лабораторна робота № 3

Генерування імпульсів..................................................... 22

Лабораторна робота № 4

Генерування пилоподібних сигналів............................. 28

Лабораторна робота № 5

Принципи генерування АМ сигналів............................ 33

Лабораторна робота № 6

Генератор АМ сигналу.................................................... 38

Лабораторна робота № 7

Детектори АМ та ЧМ сигналів....................................... 44

Лабораторна робота № 8

Широтно-імпульсна модуляція...................................... 49

 

Перелік рекомендованої літератури........................................... 53

ВСТУП

 

Лабораторна робота для її виконавця є маленьким фізичним дослідженням, яке готує до майбутніх великих. Однак проведення експерименту вимагає дотримання деяких формальностей навіть на рівні стилю текстів. З першого погляду це може здатися нудним, таким що псує враження від красоти експерименту. Однак, якщо спробувати щось вдосконалити, доведеться погодитись з доцільністю існуючих вимог. На жаль, курсам з правил розрахунку і оформлення робіт, будови електровимірювальних приладів приділяється замало уваги. Студентам доводиться вивчати ці правила самостійно. Інколи невдало.

За головну мету лабораторних практикумів, в найширшому розумінні, ставиться підготовка студентів до самостійної експериментальної роботи. В цьому процесі можна виділити наступне:

 

1. Спостереження основних фізичних явищ та визначення притаманних їм величин. Досвід спостереження допомагає розвивати фізичну інтуїцію.

2. Здобуття навичок роботи з типовими приладами. Вивчення будови приладів, принципів їх дії, функціональних можливостей та обмежень.

3. Засвоєння вимог техніки безпеки роботи з різними приладами, речовинами та полями.

4. Вивчення різноманітних методів проведення вимірів. Здобуття навичок підбору приладів, складання схем та установок, планування експерименту – здобуття досвіду організатора.

5. Сприйняття принципового характеру похибок вимірювань. Здобуття навичок передбачення та усунення перешкод різного типу, врахування похибок та оцінки точності кінцевих результатів навіть поодиноких вимірювань.

6. Оформлення лабораторних робіт формує вміння ясно та вірно висловлювати думки на папері, з’являється досвід роботи з документами.

7. Коротке узагальнення дослідних і розрахункових результатів – висновки – формують вміння вірно окреслювати мету і постановку експериментальних задач.

8. Здача лабораторних робіт вчить захищати власні позиції та передбачати можливі питання – готує до захисту курсових та дипломних робіт, виступів на конференціях.

ВИМОГИ ДО ОФОРМЛЕННЯ ЗВІТУ

 

Результати будь-яких досліджень завжди подаються у формі окремого звіту. Лабораторні дослідження не є виключенням. Вірне оформлення звіту дозволяє уникнути певних помилок при виконанні вимірювань, зекономити час та швидко відновити зміст та результати роботи за записами в лабораторному зошиті.

Звіт з лабораторної роботи має містити наступні елементи (блоки):

1. Назву роботи з зазначенням її номеру в описі лабораторного практикуму.

2. Чітко і коротко окреслену мету (завдання) роботи

3. Короткі теоретичні відомості

4. Опис установки та (або) приладів

5. Хід роботи

6. Експериментальну частину (дані безпосередніх вимірювань)

7. Розрахункову частину

8. Висновки, в яких в стислій формі даються відповіді на завдання роботи (п.2)

Звіт починає готуватися до початку вимірювань. Перед виконанням лабораторної роботи виконавець має чітко знати мету роботи, шлях її досягнення, необхідні для цього засоби, їх характеристики та положення техніки безпеки роботи з цими засобами, хід роботи (п.1–5). Також до роботи готуються таблиці для експериментальних даних та чернеткові графіки. Підготовлені таблиці запобігають втраті даних, а побудова приблизних чернеткових графіків дозволяє відразу помітити помилкові вимірювання, чим звернути увагу на можливі хиби у схемі установки, режимі роботи приладів або просто на неохайність записів. Наприкінці роботи заповнені таблиці та графіки подаються на підпис викладачу або лаборанту як підтвердження виконання роботи. Таблиці без підпису не приймаються на захисті як сфабриковані або списані.

Після виконання вимірювань проводяться розрахунки необхідних величин, їх похибок, кресляться всі необхідні графіки (п.7) та робляться висновки (п.8).

Якщо опис лабораторної роботи надано в електронному вигляді, то звіт готується з джерела шляхом видалення несуттєвої та очевидної інформації, доповненням власної, оформленням відповідей на контрольні питання. Якість скорочення та доповнення свідчить про розуміння матеріалу роботи і сутності фізичного явища. В будь якому випадку бажано використовувати ПК для розрахунків та оформлення робіт.

 

Назва та мета роботи

Цим розділам досить часто приділяються зовсім мало уваги. Як наслідок, втрачаються саме зміст та мета роботи. Не маючи конкретних зрозумілих завдань студенти механічно заповнюють запропоновані таблиці та проводять розрахунки по заданим формулам, інколи не розуміючи змісту та наслідків отриманих результатів.

Назва роботи частіше за все встановлюється переліком лабораторних робіт певного практикуму. Як правило, роботам даються короткі назви, які лише приблизно встановлюють зміст робіт. Для конкретизації змісту необхідно чітко записати мету або завдання роботи. Якщо мета, що запропонована у опису роботи, незрозуміла, то необхідно використати додаткову літературу та проконсультуватися з викладачем.

 

Опис установки та приладів

Має містити достатньо інформації для вільного оперування з установкою та приладами. Потрібно намалювати принципову (не детальну) схему установки, вказати основні прилади. Для кожного вимірювального приладу необхідно вказати робочі діапазони та похибки – дані для розрахунку похибки вимірювань.

Якщо відомо, треба вказати назву методу вимірювання, його переваги, недоліки та межі застосування. Дослідити можливі причини завад та похибок.

Наприкінці розділу оформлюються відповіді на контрольні запитання з будови та елементів керування приладів (якщо такі ставляться).

 

Хід роботи

Хід роботи має обов’язково бути відтвореним у звіті з лабораторної роботи. Він визначає послідовність дій для успішного виконання роботи.

Хід роботи, зазвичай, надається в описі лабораторної роботи. Він скорегований на оперування з приладами, що реально існують в лабораторії, враховує особливості їх ввімкнення, виведення на робочий режим та використання. Не рекомендується використовувати хід роботи, що наводиться в літературних джерелах загального плану. Рекомендовані в таких джерелах прилади можуть відрізнятися від наявних.

 

Експериментальна частина

Дані експериментів записуються у таблиці, що підготовлені до постановки експерименту. До таблиць висуваються такі обов’язкові вимоги:

1. Кожна таблиця повинна мати номер та назву.

2. Кожний стовпчик (або рядок) таблиці повинен містити назву, позначення та одиниці вимірювання величини, що вимірюється або розраховується

3. Таблиці необхідно креслити під лінійку або використовувати друковані таблиці.

Та рекомендації:

1. В перших стовпчиках записуються величини, що грають роль аргументу, в наступних – функції.

2. Слід використовувати різні кольори для сітки таблиці та числових даних.

3. Помилковий запис треба закреслити і переписати на вільному місці, наведення виправлених цифр часто призводить до повторення помилки.

 

Розрахункова частина

Розрахунки та висновки – виключно індивідуальна робота. Якщо виміри виконувалися групою, то кожен має зробити копії даних та виконувати розрахунки і робити висновки самостійно.

Якщо робота має за мету спостереження явища, то висновки мають містити якомога детальніший опис явища, що спостерігалося, його аналіз та пояснення (фізичний принцип, умови протікання і т. п.).

Для виконання поставлених завдань, частіше за все, необхідно здійснити певні перетворення даних вимірювань – провести розрахунки. Результати розрахунків можуть бути числом (або невеликою кількістю чисел), таблицею або графіком.

Правила оформлення розрахункових таблиць такі самі, як і для експериментальних.

 

Побудова графіків

Зазвичай, залежності одних фізичних величин від інших – це плавні лінії без різких зламів. За рахунок дії похибок експериментальні точки не лягають на плавні криві, а групуються навколо них випадковим чином. Але це не змінює закону, що описує криву. Тому грубішою помилкою вважаються побудова кривих простим сполученням експериментальних точок з утворення деякої ламаної лінії.

На етапі підготовки до роботи аналізом робочих рівнянь встановлюється характер залежності, що досліджується: лінійна, ступенева, показникова тощо. Оскільки краще за все візуальному (та й математичному) аналізу піддається лінійна залежність, доцільно зробити такі перетворення координат, щоб у них експериментальна крива стала прямою.

Переважно графіки виконуються на міліметровому папері. Масштаб обирається таким чином, щоб кут нахилу прямих або дотичних до кривих був близьким до 45⁰. Криві повинні займати практично все поле креслення.

В якості осей координат слід використовувати прямокутну рамку. На осях координат наносять масштабні мітки. Біля осей координат треба написати назви величин, що по них відкладені, їх позначення та одиниці вимірювання.

Експериментальні точки наносяться на графік чітко та ясно умовними позначками невеликого розміру. Забороняється наносити лінії та відмітки по нанесенню точок. Якщо відома похибка вимірювання, то точки слід зображувати хрестами з півдовжиною відрізків в одне стандартне відхилення, або рисками, якщо похибка по одній осі мала. Якщо похибка має випливати з графіку, точки наносять тонкими символами „точка” (∙). Теоретичні криві краще проводити не відмічаючи точок.

Якщо наноситься кілька кривих, то кожній з них надається номер, колір, стиль та символ точки, а на вільному полі графіку вказують назву, позначення, числове значення та одиницю вимірювання параметру, що відповідає цій кривій. Для теоретичних кривих вказують теорію, за якою вона отримана.

Осьові лінії мають бути у 1.5 – 2 рази товстішими за лінії кривих; поділки – у 1.5 разів тоншими за осьові лінії. Точки, як основний результат вимірювань, мають бути в декілька разів товстішими за осі.

Доцільно використовувати комп’ютерні математичні пакети обробки даних, такі як ORIGIN. Вони автоматично підбирають масштаб, різні кольори, позначки та стилі різних кривих; дозволяють робити підписи до осей та кривих; відповідають умовам оформлення. До того ж за допомогою них можна легко змінювати окремі дані, додавати теоретичні криві та використовувати методи апроксимації, працювати з великою кількістю даних.

Готові графіки вклеюються (в електронному варіанті – вставляються) в звіт з лабораторної роботи в місці, де оформлене відповідне завдання. Графіку надається номер та робиться підпис, що його роз’яснює.

 

Висновки

У висновках вказуються, в стислому вигляді, основні результати лабораторної роботи. Як правило, висновки повинні вказувати на виконання мети або завдання роботи. Але не варто обмежуватися висловом „завдання виконано” або переписувати завдання з прислів’ям на зразок „зроблено...”. Такий стиль призводить до непорозуміння у випадках, коли мета або завдання роботи сформульовані нечітко.

Можна виділити наступні рекомендації до оформлення висновків:

· Висновки повинні складатися з безособових речень. Фрази на зразок „Я виміряв...” рекомендується замінити на „В процесі вимірів було встановлено...”. В документах після слова „Я” необхідно вказувати прізвище, ім’я, по батькові, паспортні дані тощо.

· Якщо в процесі роботи необхідно отримати якісь числові характеристики, їх значення з похибками і поясненнями необхідно повторити у висновках, навіть якщо в завданні цього прямо не вказано. Всі величини, що вказуються у висновках мають бути названі, скорочення не допускаються: „... прискорення вільного падіння на широті Києва g=(9.6±0.3) м/с², e= 3%,...”

· Якщо вимагається порівняти отриману величину з її відомим значенням або перевірити деяке співвідношення або закон, необхідно вказати на ступінь відхилення отриманої величини від відомої, порівняти з похибкою отриманої величини, вказати на можливі джерела невідповідності (якщо така спостерігається), наприклад: „...відоме значення g=9.80 м/с² відхиляється від отриманого на 2%, що цілком вкладається у вказаний діапазон похибок. Заниження середнього значення можна пояснити впливом опору повітря...”

· Не рекомендується вказувати на виконання завдань, що стосуються знайомства з приладом „Я ознайомився з будовою осцилографа...”. Знайомство з приладом – це мета не роботи, а процесу підготовки. Ознайомитися з приладом виконавець має до роботи. Якщо вимагається дослідити характеристики чи особливості приладів, їх систем чи схем вимірювання, на це треба вказати відповідним чином. Наприклад „Встановлено, що режим комутатора каналів осцилографа "" не доцільно використовувати для часів розгортки менших 0.1 с...”

· Роботи, що мають завданням спостереження явища, вимагають детального аналізу спостережень, їх аналіз, порівняння з теоретичними передбаченнями тощо. В такому випадку висновки можна розбити на дві частини: „Обговорення результатів” та „Висновки”. В першому розділі явище детально аналізується, в другому вказуються основні результати спостережень.

· Висновок – це стислий результат всієї роботи. Враження від читання висновків переноситься на всю роботу. Робіть висновки максимально продумано і охайно. Пам’ятайте, стислість – сестра таланту.

 

 

ЧАСТИНА І

 

ОСНОВИ

ЕЛЕКТРОНІКИ

Лабораторна робота № 1.

ЗАВДАННЯ.

 

1. Скласти електричне коло по схемі за рис. 1.3. Встановити величини опорів резисторів та е.р.с. батареї відповідно до представлених на рисунку. Увімкнути коло. Переконатись, що покази приладів відповідають представленим на рис. 1.5. За необхідності виправити помилки.

2. Змінити значення опорів резисторів та е.р.с. батареї довільним чином. Записати ці значення та покази приладів у таблицю 1.1.

3. Повторити п. 2 сім разів. Зробити висновки щодо виконання правила напруг у послідовному колі.

 

Таблиця 1.1

Перевірка правила напруг

 

№	R1	R2	UR1	UR2	Uламп	Uланки	відхилення (UR1+UR2+ +Uламп - Uланки)	Відносна похибка, %
...

4. Скласти електричне коло по схемі за рис. 1.6. Встановити величини опорів резисторів та е.р.с. батареї відповідно до представлених на рисунку. Увімкнути коло. Переконатись, що покази приладів відповідають представленим на рис. 1.6. За необхідності виправити помилки.

5. Змінити значення опорів резисторів та е.р.с. батареї довільним чином. Записати ці значення та покази приладів у таблицю 1.2.

6. Повторити п. 5 сім разів. Зробити висновки щодо виконання правила струмів у паралельному колі.

 

Таблиця 1.2

Перевірка правила струмів

 

№	R1	R2	ІR1	ІR2	Іламп	Іланки	відхилення (ІR1+ІR2+ +Іламп - Іланки)	Відносна похибка, %
...

7. У висновках зазначити найгіршу похибку виконання кожного правила та можливі причини похибок.

Лабораторна робота № 2.

Перевірка правил Кірхгофа.

Мета: перевірити виконання правила вузлів та правила контурів на прикладі багатоконтурного електричного кола.

Устаткування: Емулятор електричних кіл Electronics Workbench

Додаткові відомості:

 

Правилами Кірхгофа називають методику розрахунку складних розгалужених електричних кіл, розроблену Густавом Кірхгофом. Виділяють два правила Кірхгофа.

Перше правило Кірхгофа (правило вузлів)

В кожній точці розгалуження проводів алгебраїчна сума струмів дорівнює нулю. При цьому струми, які входять в розгалуження й виходять із нього вважаються величинами різних знаків.

Математично перше правило Кірхгофа можна записати таким чином:

, (1)

де N – кількість струмів у вузлі.

Перше правило Кірхгофа є наслідком закону збереження заряду. Для неперервно розподілених струмів у просторі воно відповідає рівнянню неперервності.

Друге правило Кірхгофа (правило контурів)

Для будь-якого замкнутого контуру провідників алгебраїчна сума електрорушійних сил дорівнює алгебраїчній сумі добутків сил струму на кожній ділянці контуру на опір відповідної ділянки, враховуючи внутрішній опір джерел струму.

Математично друге правило Кірхгофа записується як

 

, (2)

де N – кількість е.р.с. у контурі, M – кількість у резисторів у тому ж контурі. Якщо при обході переходять від від'ємного полюса джерела струму до додатного, то е.р.с. записується з додатним знаком, якщо навпаки, то з від'ємним.

Послідовне застосування правил Кірхгофа до усіх вузлів й контурів у складній електротехнічній мережі дозволяє скласти повну систему лінійних рівнянь для визначення сил струму на кожній із ділянок.

Для розрахунку перш за все рисують електротехнічну схему й довільним чином познають стрілками напрями струмів на кожній ділянці. Потім виділяються замкнуті контури й обходяться в одному довільно вибраному напрямку. Якщо стрілка, яка вказує напрям струму направлена проти обходу, то відповідний добуток струму на опір береться зі знаком мінус.

В результаті застосування обох правил Кірхгофа до довільного кола отримують систему рівнянь, розв'язуючи яку визначають сили струму у всіх ланках кола. Якщо якась сила струму вийшла від'ємною, то це значить, що напрям струму на даній ділянці задали протилежним до дійсного напряму. Це не впливає на правильність результату, лише свідчить про необхідність зміни напряму відповідного струму.

На рис. 2.1 наведене коло з вимірювальними приладами. В колі можна виділити два вузли (В та Е) та три контури (ABEF-A, BEDC-B, AFDC-A). Наприклад, для вузла В маємо: всі три струми слід ураховувати з однаковим знаком, оскільки всі три амперметри включені мінусовим контактом до вузла, тобто їх покази позитивні у разі, коли струми „витікають” з вузла. Відповідне рівняння матиме вигляд: і1+і2+і3=0. Перевіряємо: -1.251-7.507+8.759=0.001≠0. Як видно, рівняння не виконується абсолютно точно, спостерігається похибка, зв’язана з округленням показів амперметрів. Дійсно, величина неузгодження становить одиницю в останньому розряді округлення. Відповідне відхилення є допустимим, проте засвідчує принциповість похибок у вимірюваннях та їх неодмінний прояв.

Запишемо друге правило Кірхгофа для контуру ABEF-A. Маємо: через резистор R1 тече струм і1. Оскільки напрямок руху А-В протилежний напряму амперметра, враховуємо його зі знаком „-” (-і1∙R1). На ланці ВЕ маємо е.р.с. Е2. При руху від точки В до Е е.р.с. проходиться з + до -, значить має бути урахована з негативним знаком (-Е2). Далі R3, струм у якому одночасно показують два амперметри. Як видно, їх напрямок збігається з напрямом руху ВЕ, тобто приписуємо знак „+” (+i2∙R3). У ланці EF з аналогічних міркувань маємо доданок –і4∙R2. У ланці FA маємо лише е.р.с., яка проходиться з - до +, значить вважається позитивною (+Е1). Складене рівняння набуває вигляду:

-і1∙R1+i2∙R3-і4∙R2= Е1-Е2.

Перевіряємо, не забуваючи переводити масштабні одиниці у основні. Також маємо на увазі, що від’ємні покази приладів не замінюють негативні знаки у рівнянні:

-(-0.001251(А))∙1000(Ом)+(-0.007507)∙1000-(-0.001251)∙1000 = -10+5

-5.005 = -5

Знов бачимо неідеальне виконання правила. Встановлюємо відносну похибку: 0.005/5 = 0.5 %. Висновок – правило виконується в межах похибки 0.5 %. Чим може бути пояснена дана похибка – встановіть самостійно. В якості підказки у колі встановлені вольтметри, які додатково контролюють напруги на резисторах. Наприклад, на резисторі R1 має бути напруга і1∙R1=0.001251(А)∙1000(Ом)=1.251 В, тоді як вольтметр показує 1.250 В.

 

Рис. 2.1. Багатоконтурне коло для перевірки правил Кірхгофа.

 

При виконанні роботи слід неодмінно звертати увагу на напрям включення вимірювальних приладів. У вольтметрів та амперметрів жирною рискою позначена негативна клема. Це значить, що покази приладу будуть додатними, якщо напрям струму відповідає руху при обході контура від мінуса до плюса.

На рис. 2.2 зазначені два можливі відносні положення амперметра та напряму обходу контуру (не плутати з напрямом струму). У випадку а) покази амперметра ураховуються в рівнянні із знаком „+”, у випадку б) із знаком „-”. Зауважте, що мова іде про знак доданку у рівнянні. Коли у рівняння будуть підставлятись конкретні величини, вони теж можуть бути як позитивними, так і негативними.

Наприклад, випадок а) відповідає доданку + I∙R, б) - I∙R. Замість І слід підставляти покази приладу з відповідним знаком, що показує сам прилад.

ЗАВДАННЯ

 

1. Скласти багато контурне електричне коло по принциповій схемі, наведеній на рис. 2.1.

2. Встановити величини опорів резисторів та е.р.с. батарей відповідно до представлених на рисунку. Переконатись, що покази вимірювальних приладів співпадають з наведеними.

3. Змінити величини опорів резисторів та е.р.с. батарей. Встановлені величини та покази всіх вимірювальних приладів занести до таблиці 2.1. Виконати щонайменше 7 повторень змін та вимірювань.

4. Записати І правило Кірхгофа для точок А, В, С, Е. Перевірити його виконання для кожної точки відповідно до показів приладів.

5. Записати ІІ правило Кірхгофа для контурів ABEF-A, BEDC-B, AFDC-A. Перевірити його виконання для кожного контуру відповідно до показів приладів.

6. Зробити висновки, зазначивши похибки виконання правил та можливі їх причини.

 

Таблиця 2.1.

Експериментальні дані

R 1
R 2
R 3
R 4
R 5
ε 1
ε 2
ε 3
U 1
U 2
U 3
U 4
U 5
i 1
i 2
i 3
i 4
i 5
i 6

Лабораторна робота № 3.

ЗАВДАННЯ

 

1. Скласти електричне коло за схемою рис. 3.1. Задати (довільним чином) значення напруги та частоти в генераторі, за допомогою осцилографа виміряти ці параметри. Результати звести в табл. 3.1.

Таблиця 3.1.

Дослідження роботи генератора

№	Задані генератором	Виміряні осцилографом
f, Гц	Uд, В	U0, В	Т, с
…

 

2. Скласти електричне коло за схемою рис. 3.2. Для 6-7 різних значень ємності конденсатора та частоти сигналу виміряти амплітудні значення напруги, струму, зсуву фаз між ними. Визначити опір конденсатора, порівняти виміряні значення з теоретичним. Дані звести в табл. 3.2.

Таблиця 3.2.

Дослідження роботи конденсатора

№	f, Гц	ω, c^-1	U 0, В	i 0, А	Δ T, с		1/ωC, Ом	Δ R, Ом	Δ φ, рад
…

 

 

3. Скласти електричне коло за схемою рис. 3.3. Для 6-7 різних значень індуктивності котушки та частоти сигналу виміряти амплітудні значення напруги, струму, зсуву фаз між ними. Визначити опір індуктора, порівняти виміряні значення з теоретичним. Дані звести в табл. 3.3.

Таблиця 3.3.

Дослідження роботи котушки індуктивності

№	f, Гц	ω, c^-1	U 0, В	i 0, А	Δ T, с		ωL, Ом	Δ R, Ом	Δ φ, рад
…

 

4. У висновках зазначити ступінь узгодження теоретичних та розрахованих величин.

Лабораторна робота № 4

Дослідження резонансних кіл

Мета: опанувати методику вимірювання змінних напруг та струмів, побудувати резонансні криві для найпростіших кіл, що реалізують резонанс напруг та резонанс струмів.

Устаткування: Емулятор електричних кіл Electronics Workbench

Додаткові відомості:

Резонансні явища виникають у коливальних системах при дії зовнішніх сил і супроводжуються зростанням амплітуди коливань при наближенні частот зовнішніх та власних коливань.

В електроніці розрізняють резонанс напруг і резонанс струмів. Резонанс напруг виникає у ланках з послідовно з’єднаними конденсатором та котушкою індуктивності і полягає у взаємній компенсації напруг на конденсаторі та котушці, внаслідок чого сила струму у ланці стрімко зростає.

Резонанс струмів виникає при паралельному з’єднані конденсатора і котушки індуктивності. В такому разі компенсуються струми, що еквівалентно стрімкому зростанню електричного опору ланки.

Частота резонансу однакова для обох випадків і визначається формулою

(1)

де L – індуктивність котушки, С – ємність конденсатора. Наприклад, для значень, які автоматично заповнюються у Electronics Workbench (L = 1 мГн = 10^-3 Гн, C = 1 мкФ = 10^‑6 Ф)

Для вимірювання напруг та струмів в колах змінного струму можна використовувати вольтметри та амперметри (з вкладки індикаторів). При цьому необхідно зазначити режим їх роботи АС (змінний струм) у вікні властивостей приладу (рис. 4.1).

Аналогічно до кіл постійного струму, вольтметрів та амперметрів у колі може бути декілька. Проте, зазначені прилади можуть вимірювати лише діючі значення напруги чи струму і не дозволяють визначати фазові співвідношення.

Електричні кола, що реалізують резонанси напруг та струмів наведені на рис. 4.2. Як видно з показів приладів, при резонансі напруг напруги на котушці та конденсаторі значно перевищують напругу на резисторі (і на генераторі). Струм, що проходить ланкою, визначається лише опором резистора, наче котушки і конденсатора у колі немає.

При резонансі струмів крізь конденсатор і котушку проходять струми значно більшої сили, ніж витікає з джерела.

Як можна помітити з рис. 4.2, величини індуктивності та ємності відповідають стандартним, проте підібрана частота на генераторі відрізняється від розрахованої за формулою (1). Це спричинено тим, що в Electronics Workbench передбачено можливість відхилення реальних значень параметрів електричних деталей від зазначених. Така ж ситуація спостерігається в реальних деталях за рахунок похибки виготовлення. Відтак, формула (1) відповідає ідеальному випадку, а на практиці доводиться підбирати параметри генератора з урахуванням похибки деталей, що використовуються. Зрозуміло, що для однакових кіл, зібраних з різних деталей, на яких зазначені однакові величини, частоти резонансів можуть виявитись різними.

На рис. 4.3 наведені залежності від частоти таких параметрів кіл, як: (з гори униз)

· сила струму генератора при резонансі струмів;

· сила струму генератора при резонансі напруг;

· різниця напруг на котушці та конденсаторі.

Графіки для різних резонансів суміщені для додаткового засвідчення того, що частоти резонансів напруг та струмів однакові.

ЗАВДАННЯ

 

1. Скласти схеми резонансних кіл (рис. 4.2). Встановити відповідні режими роботи вимірювальних приладів (рис. 4.1). Переконатись у дієздатності кіл.

2. Встановити значення R, L та C довільним чином. Розрахувати частоту резонансу за формулою (1). У звіті навести зазначені розрахунки.

3. Зміною частоти генератора добитись однакових падінь напруг (у другій схемі – струмів) на котушці та конденсаторі. Зазначити відповідну резонансну частоту.

4. Для частот, що відрізняються від резонансної на ±5%, ±10%, ±20%, ±30% і т.д. до -90 %, +100 % виміряти параметри кіл. Результати занести в табл. 4.1.

Таблиця 4.1.

Параметри резонансних кіл

f, Гц	Резонанс напруг	Резонанс струмів
І ген	U L	U C	U R	U L- U C	І ген	І C	I L

 

5. За даними табл. 4.1 побудувати графіки, подібні рис. 4.3. Зазначити відповідність теоретичних та експериментальних даних.

Лабораторна робота № 5

Дослідження RC фільтрів.

Мета: опанувати методику представлення амплітудно-частотних характеристик фільтрів за допомогою діаграм Боде; провести аналіз пасивних RC фільтрів низьких та високих частот першого порядку.

Устаткування: Емулятор електричних кіл Electronics Workbench

Додаткові відомості:

Фільтри – це пристрої, які по-різному впливають на сигнали з різними част­отами. Фільтри є найпоширенішими конструкціями в колах змінного струму. Можливості їх використання охоплюють практично всі галузі електроніки. З най­більш поширених можна зазначити задачі селекції (зокрема, радіо- та телеканалів), розділення сигналів різних частот, зменшення перешкод тощо.

До назви фільтрів часто додають види елементів, що використовуються для їх побудови, зокрема RC-фільтри складаються лише з резисторів та конденсаторів. Можна казати про RL-, LC- та RLC-фільтри. За умови, що до складу фільтрів входять додаткові джерела живлення, до назви фільтрів додають „активні”, в іншому разі фільтри називають пасивними.

За характером впливу на сигнали фільтри поділяють на

§ фільтри низьких частот (ФНЧ), які пропускають сигнали з частотами, меншими заданої, і редукують (заглушують) сигнали з більш високими частотами;

§ фільтри високих частот (ФВЧ), які пропускають сигнали високих частот і редукують сигнали низьких частот;

§ смугові фільтри, які пропускають сигнали з частотами певного діапазону;

§ режекторні (загороджувальні) фільтри, які пропускають сигнали з частотами, що не належать певному діапазону. Якщо фільтр налагоджується на одну частоту його називають вузькосмуговим або фільтром-пробкою.

В рамках даної роботи об’єктом дослідження виступають пасивні RC-фільтри низьких та високих частот.