Тема: Дослідження перехідних процесів у електричних колах постійного струму.

Мета: визначення характеру змін електричного струму і напруги на окремих елементах схеми під впливом вхідної напруги прямокутної форми; визначити умови реалізації операцій диференціювання та інтегрування вхідних сигналів за допомогою RC-і RL-схем.

Порядок виконання роботи

4.1. Запустіть Electronics Workbench за допомогою ярлика.

4.2. Завдання 1: Дослідитиперехідні процеси в RC-колах.

4.2.1. Складіть схему, наведену на рис. 4.1, яка моделює різні варіанти RC-кіл під впливом вхідної напруги прямокутної форми. Підключіть до осцилографу вихідні напруги фрагментів схеми, які закінчуються ємностями (виходи позначені цифрою 1). Лінії підведення вихідних напруг до осцилографа для зручності можна позначити різними кольорами, тоді і лінії на осцилограмі будуть таких же кольорів.

4.2.2. На генераторі встановіть вихідний сигнал прямокутної форми, що має амплітуду U_m = 1 V, частоту 1 Hz, Ofset = 1V,та скважність (Duty cycle) – 60%.

4.2.3. Визначіть аналітичну залежність і розрахувати значення U_c(t) для зазначених у таблиці 4.1 значень t, R і C (для обох фрагментів схеми) при U_вх(t) = 2U_m = 2V.

4.2.4. Включіть процес моделювання та отримати відповідні залежності U_c(t) і U_c’(t), де без штриха – напруга, що знімається з фрагмента із ємністю 10 μF; із штрихом – з фрагмента із ємністю 5 μF. Дані звести в таблицю 4.1.

4.2.5. Побудуйте залежності U_c(t) і U_c’(t) на одному графіку Поясніть вплив параметра τ = RC на характер змін U_c(t).

Таблиця 4.1.

4.2.6. Використовуючи другий закон Кірхгофа, розрахуйте падіння напруги на опорі U_R(t), спираючись на розраховане значення U_с(t).

4.2.7. Перемкніть обидва входи осцилографа до точок, що мають вихід із активних опорів, та заміряйте U_R(t) та U_R’(t) за допомогою осцилографу для значень t, зазначених в таблиці 4.1. Заповнити таблицю, аналогічну табл.. 4.1 для напруг U_R(t) та U_R’(t).

4.2.8. Побудуйте залежності U_R(t) і U_R'(t) на одному графіку Поясніть вплив параметра τ = RC на характер змін U_R(t).

4.3. Завдання 2: Дослідитиперехідні процеси в RL-колах.

4.3.1. Складіть схему, наведену на рис. 4.2, яка моделює різні варіанти RL-кіл під впливом вхідної напруги прямокутної форми.

4.3.2. Повторіть п.п. 4.2.2÷4.2.5 для двох фрагментів схем, які мають виходи із активних опорів (точки 2). Зробіть висновки щодо впливу τ = L/R на характер змін U_R(t).

4.3.3. Повторіть п.п. 4.2.6÷4.2.8 для двох фрагментів схем, які мають виходи із індуктивностей (точки 1). Зробіть висновки щодо впливу τ = L/R на характер змін U_L(t).

Встановіть, в яких випадках вихідні напруги є ідентичними для схем RC і RL.

4.4. Завдання 3: Дослідитиінтегруючі і диференціюючі властивості RС-кіл.

4.4.1. Поверніться до схеми, представленій на рис. 4.1 та встановіть такий режим генератора: U_m = 1 V; F = 1 Hz; Ofset = 0; Duty cycle = 50%. Підключіть вхід «А» осцилографа до клеми «1», на яку видається напруга з ємності верхнього фрагменту RC-схеми, на вхід «В»осцилографа подайте прямокутний сигнал із генератора. Встановіть для першого фрагменту RC-схеми τ = 10·t_u, де ·t_u = 1/2·F – тривалість вхідного імпульсу (наприклад, R = 1 kOhm і С = 5 μF).

4.4.2. Встановіть для входу «А» осцилографа режим «АС», для входу «В» – режим «DC». Отримайте осцилограми U_вх(t) і U_с(t). Визначіть, що така схема є інтегруючою.

4.4.3. Перемкніть вхід «А» осцилографа до клеми «2», на яку видається напруга з опору. Встановіть для цієї схеми τ = 0,1·t_u (наприклад, R = 100 Ohm і С = 0,5 μF).

4.4.4. Отримайте осцилограми U_вх(t) і U_R(t).

4.4.5. Встановіть на вході трикутну напругу і знову зняти U_вх(t) і U_R(t). Визначіть, що дана схема є диференціюючою.

4.5. Завдання 4: Дослідитиперехідні процеси в RLС-колах.

4.5.1. Складіть схему, наведену на рис. 4.3, яка моделює різні варіанти RLС-кіл під впливом вхідної напруги прямокутної форми.

Рис. 4.3.

4.5.2. Встановіть послідовно R = 10 kOhm; 20 kOhm; 50 kOhm, і зніміть осцилограми вихідної напруги, яка знімається з ємності. У разі виникнення коливань в перехідному процесі у колі визначіть частоту коливань. Поясніть відсутність коливань (або їх зменшення) для кіл RLC з різними співвідношеннями параметрів.

4.5.3. Для кожного із варіантів співвідношень параметрів в досліджуваних колах RLC визначіть коефіцієнт затухання , де . Визначіть, при яких значеннях Zперехідний процес в колі RLC буде аперіодичним (без коливань) і при якихзначеннях Zматимуть місце коливання.