В линейных электрических цепях

Цель работы

Исследование переходных процессов в цепях RC, RL и RLC при подключении их к источнику постоянного напряжения.

Подготовка к работе

1. Изучить разделы курса по конспекту лекций и учебникам [1–3].

2. Рассчитать токи и напряжения на элементах схем RC (рис. 2.1)
и RL (рис. 2.2) при подключении к ним источника постоянного напряжения и начертить их графики.

Рис. 2.1 Рис. 2.2

Величину L для расчета взять из табл. 1.1 в соответствии с номером бригады. Значения сопротивления и емкости для всех бригад одинаковы: R=500 Ом, С= 0,1 мкФ, Е=0,5 В.

3. Для цепи RLС (рис. 2.3) рассчитать величину критического сопротивления.

Рис. 2.3

4. Для цепи RLС рассчитать частоту собственных колебаний и коэффициент затухания при сопротивлении R= 200 Ом.

Описание установки

Для того чтобы можно было наблюдать переходной процесс с помощью обычного осциллографа, вместо подключения цепи к источнику постоянного напряжения на цепь подается периодическая последовательность прямоугольных импульсов. Если выбрать длительность импульса больше длительности переходного процесса в цепи, то реакция цепи на передний фронт и вершину импульса полностью совпадает с реакцией цепи на подключение к источнику постоянного напряжения. Длительность паузы между импульсами выбирается такой, чтобы за ее время ток в индуктивности и напряжение на емкости стали близкими к нулю, т.е., длительность паузы также должна быть больше длительности переходного процесса, вызванного окончанием импульса.

Генератор, который используется в работе, имеет выходное сопротивление в несколько сотен Ом. Если непосредственно подключить его к исследуемым схемам, то оно будет сильно влиять на их работу. Чтобы исключить влияние внутреннего сопротивления генератора, он подключается к схемам через делитель напряжения (рис.2.4). Сопротивление R2=10 Ом, поэтому выходным сопротивлением делителя для исследуемых цепей можно пренебречь.

Рис. 2.4

Элементы исследуемых цепей собраны внутри блока. На лицевую панель выведены контактные гнезда и показаны их соединения с элементами R, L и С. На передней панели находится также переключатель, с помощью которого можно изменять величину сопротивления.

Цепи RL и RC выведены на лицевую панель в двух видах
(рис. 2.5 – рис. 2.8). Это сделано для того, чтобы генератор, осциллограф и элемент, на котором наблюдается напряжение, имели общую точку соединения, к которой подключаются корпуса приборов.

Рис. 2.5 Рис. 2.6 Рис. 2.7 Рис. 2.8

Если этого не сделать, на осциллографе будут наблюдаться сильные помехи от напряжения сети 220 В. К корпусам приборов обычно подключены черные провода с черными наконечниками. Экспериментально легко определить, какой вывод кабеля является сигнальным, а какой соединен с корпусом. Для этого надо подключить кабель ко входу осциллографа и коснуться рукой поочередно его концов. При касании сигнального конца на экране появится заметный сигнал с частотой 50 Гц.

Цепь RLC выведена на панель в трех видах: для наблюдения напряжения на индуктивности, на емкости и сопротивлении
(рис. 2.9, рис. 2.10 и рис 2.11).

Рис. 2.9 Рис. 2.10 Рис. 2.11

Выполнение работы

1. Присоединить генератор импульсов к входным клеммам делителя напряжения, а осциллограф к выходным. При этом обратить внимание, чтобы к нижним клеммам были присоединены провода, соединенные с корпусами приборов. Установить частоту повторения импульсов 100 Гц, амплитуду импульсов на выходе делителя 0,5 В, а длительность импульса 300 мкс. Рекомендуется использовать ждущий режим работы осциллографа, для чего следует подать синхроимпульсы с генератора на запуск развертки осциллографа. Для надежного наблюдения переднего фронта импульса следует установить на генераторе задержку основного импульса относительно синхронизирующего около 10 мкс.

2. Подключить выход делителя на вход цепи RС, а осциллограф к емкости (рис. 2.5). Наблюдать зависимость напряжения на емкости от времени при изменении сопротивления от минимального значения до максимального. Сделать вывод о том, как влияет величина сопротивления на характер переходного процесса. Для сопротивления R=500 Ом зарисовать осциллограмму напряжений на емкости и определить по ней значение постоянной времени цепи.

3. Подключить выход делителя к входу цепи RС, а осциллограф к сопротивлению (рис. 2.6). Исследовать зависимость напряжения на сопротивлении от времени аналогично п.2.

4. Подключить выход делителя к входу цепи RL, а осциллограф к индуктивности (рис. 2.7). Исследовать зависимость напряжения на индуктивности от времени аналогично п.2.

5. Подключить выход делителя к входу цепи RL, а осциллограф к сопротивлению (рис. 2.8). Исследовать зависимость напряжения на сопротивлении от времени аналогично п.2.

6. Подключая выход делителя к входу цепи RLС, а осциллограф к емкости (рис. 2.9), индуктивности (рис. 2.10) и сопротивлению
(рис. 2.11) наблюдать изменение формы напряжения на них при изменении величины сопротивления. Убедиться, что при значениях сопротивления меньше критического переходный процесс носит колебательный характер, а при значениях больше критического – апериодический. Для колебательного режима (R= 200 Ом) зарисовать осциллограммы напряжений и определить по одной из них частоту свободных колебаний и коэффициент затухания.

Контрольные вопросы

1. Как формулируются законы коммутации?

2. Что понимают под начальными условиями? Какие из них называются независимыми, а какие зависимыми? Для чего нужны начальные условия и сколько их надо определить?

3. Что понимают под принужденной и свободной составляющей переходного процесса?

4. Какой вид имеет свободная составляющая переходного процесса в зависимости от корней характеристического уравнения?

5. Что называется постоянной времени в цепи первого порядка? Как определить ее по осциллограмме переходного процесса?

6. Какой интервал времени принимают в качестве длительности переходного процесса?

7. Как по осциллограмме переходного процесса определить частоту свободных колебаний и коэффициент затухания ?

8. Решить задачу по расчету переходного процесса в цепи первого порядка заданную преподавателем.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3