Лінійні елементи кіл гармонічного струму.

Мета: перевірити амплітудні та фазові співвідношення для конденсатора та індуктора в колах гармонічного струму.

Устаткування: Емулятор електричних кіл Electronics Workbench

Додаткові відомості:

 

Кола гармонічного струму мають ряд принципових відмінностей від кіл постійного струму.

1. Замість батареї в таких колах використовується відповідне джерело змінної напруги (в простих випадках – AC Voltage source).

2. В колах змінного струму напруги можуть бути як позитивними, так і негативними. Для прив’язування величин до відповідних значень в колах обов’язково вводиться точка з нульовою напругою – заземлення (ground). У колі можна зазначити декілька точок заземлення, при цьому вони вважатимуться з’єднаними, навіть якщо це окремо не вказано.

3. Вимірювальні прилади замінює осцилограф (осцилоскоп). Вольтметр та амперметр можуть також використовуватись у колах змінного струму, проте вони визначатимуть або миттєві, або середні значення відповідних величин. Для задач, в яких вимагається більше відомостей, використовується осцилограф. Слід зауважити, що на одному робочому аркуші Electronics Workbench можна використати лише один осцилограф, навіть якщо збирається декілька окремих кіл.

На рис. 3.1 наведена схема підключення конденсатора до джерела гармонічної напруги (генератора) з використанням осцилографа в якості вимірювального приладу. Як видно, використано дві точки заземленні – для генератора і для осцилографа. Такий спосіб суттєво зменшує кількість з’єднань у схемі, роблячи її більш зрозумілою.

Як видно з надписів над генератором, до основних його параметрів відносяться напруга, частота та початкова фаза. Ці параметри можна змінювати повністю аналогічно до параметрів інших елементів електричних кіл – з вікна властивостей відповідних елементів. Для генератора слід мати на увазі, що значення напруги відповідає діючому значенню (не амплітудному), частота задається у лінійному розумінні (не циклічна). Початкова фаза визначає початок генерування і використовується у специфічних задачах.

 

При використанні осцилографа слід пам’ятати основні його настройки:

· осцилограф має два незалежні канали А і В, тобто здатен відтворити на екрані два різні сигнали;

· масштаб часу визначає часовий відрізок, що припадає на одну вимірювальну клітинку. Як видно з рисунка, період коливань становить 4 клітинки. Врахувавши масштаб, визначаємо Т=4(клітинки)∙5(мс/клітинку) = 20 мс. Відповідно частота f=1/T=1/0.020=50 Гц, що збігається з параметрами генератора. Масштаб часу однаковий для двох каналів.

· масштаб напруги встановлюється окремо для кожного каналу. На рисунку зазначено масштаб каналу А 50 Вольт/клітинку. Як видно, амплітуда сигналу сягає 2,8 клітинки, що становить 50∙2,8=140 Вольт. У параметрах генератора зазначено 100 Вольт – це діюча напруга менша за амплітудну.

· режим роботи кожного каналу обирається одним з трьох: AC – змінний струм, 0 – без сигналу, DC – постійний струм.

· відлікові лінійки (червона та синя риски) дозволяють більш точно виміряти час чи напругу в даній точці, а також різницю часу чи напруги між двома сигналами.

 

Осцилограф має лише один вивід для заземлення. Це значить, що осцилограф дозволяє вимірювати напругу відносно „землі”. Не можна виміряти різницю напруг між довільними двома точками, оскільки підключення клеми заземлення до однієї з точок автоматично її заземлить, спотворивши роботу самого кола.

Осцилограф являє собою прилад, що безпосередньо вимірює напругу. Для вимірювання струмів осцилограф не призначений. Для того, щоб мати інформацію про величину сили струму в коло додатково вводять резистор невеликого опору і вимірюють за допомогою осцилографа напругу на ньому. Опір резистора намагаються зробити якомога меншим, оскільки спад напруги на резисторі спотворює результати вимірювання напруги на основному елементі. З іншого боку, опір резистора має бути достатнім для того, щоб осцилограф був у змозі виміряти малий спад напруги. Практично використовують резистори опором 1-10 Ом.

 

 

Електричні кола, в яких реалізовано вимірювання напруги і струму наведені на рис. 3.2 та 3.3. Засоби Electronics Workbench дозволяють розрізнити сигнали різних каналів осцилографа за кольором осцилограми. У реальних осцилографах можливості кольорового розділення немає. Для ідентифікації сигналів можна або змінювати масштаб (чи зміщення) напруги одного з каналів і спостерігати який з сигналів зазнає змін, або вимкнути один з каналів, обравши режим роботи 0. Також можна розрізнити канали за показами лінійок. Для цього слід поставити лінійку у положення, коли один з сигналів додатний, інший від’ємний і подивитись якому каналу відповідає яке значення.