Тема: Дослідження резонансних явищ в електричному RLC-колі змінного струму.

Мета: визначити умови існування резонансу напруг і струмів у електричних колах RLC: визначити характер змін струмів і напруг та фазових зсувів, що наближені до резонансу і що віддалені від нього; набути навичок побудови векторних діаграм для резонансу напруг і струмів, вивчити амплітудно- та фазочастотні характеристики електричних кіл RLC.

Порядок виконання роботи

7.1. Запустіть Electronics Workbench за допомогою ярлика.

7.2. Завдання 1: Дослідити резонанс напруг в електричному RLC-колі змінного струму.

7.2.1. Складіть наведену на рис. 7.1 схему, та встановіть зазначені на схемі величини ЕРС E (U = 24 V, F = 50 Hz), ємності (С = 637 μF), індуктивності (L = 22,3 mH) та опору резистора (R = 2 Ohm).

Рис. 7.1.

7.2.2. Розрахуйте значення струму у колі (І ^*), падіння напруг на активному опорі (U_r^*), на ємності (U_c^*) та на індуктивності (U_L^*), а також фазовий зсув між І та U. Побудувати векторну діаграму на комплексній площині. Запустіть процес моделювання і порівняйте отримані експериментальні значення І , U_r, U_c та U_L із розрахунковими значеннями.

7.2.3. Відкрийте лицеву панель осцилографу і на збільшеній осцилограмі визначіть фазовий зсув між U і U_c. Порівняйте його із зсувом, отриманим за допомогою векторної діаграми (саме зсув між U і U_c).

7.2.4. Встановіть у схемі С = 354 μF і повторіть п. 7.2.2 та п. 7.2.3. Зробіть висновок щодо впливу значення С на фазовий зсув φ.

7.2.5. Знову встановіть С = 637 μF і розрахуйте частоту джерела , при якій забезпечується резонанс напруг. Встановіть розраховане значення частоти в параметрах джерела ЕРС Е. Перевірте, що I = U/R, U_r = U, φ = 0, U_L = U_c. Поясніть, чому залишається чинним другий закон Кірхгофа для кола, де напруги U_L і U_c набагато більші прикладеної напруги U. Побудуйте векторну діаграму для умов резонансу напруг. Поясніть, чому фазовий зсув між U і U_c при резонансі дорівнює –90°.

7.2.6. Встановіть R = 1 Ohm. Як змінюються при резонансі значення I, U_r, U_с, U_L при зменшенні активного опору ? Зробіть відповідні висновки на основі векторної діаграми.

7.2.7. Відкрийте лицеву панель аналізатора частотних характеристик і отримайте ряд значень величин Кта φ для різних значень частоти F при R = 2 Ohm, де . Результати занести в таблицю 7.1.

Таблиця 7.1.

7.2.8. Встановіть R = 1 Ohm і повторіть п. 7.2.7.

Рис. 7.2.

7.2.9. Отримані залежності К(F) та φ(F) при R = 1 Ohm і R = 2 Ohm побудуйте на одному спільному та зробіть відповідні висновки.

7.2.10. На підставі аналізу показань вимірювальних приладів та осцилограми для схеми, наведеній на рис. 7.2, визначіть пошкоджений елемент схеми і характер пошкодження («коротке замикання» або «обрив – відключення елементу»).

7.3. Завдання 2: Дослідити резонанс струмів в електричному RLC-колі змінного струму.

7.3.1. Складіть наведену на рис. 7.3 схему, та встановіть зазначені на схемі величини ЕРС E (U = 12 V, F = 50 Hz), ємності (С = 637 μF), індуктивності (L = 22,3 mH) та опору резистора (R₀ = 10 Ohm).

Рис. 7.3.

Розрахуйте режим роботи пропонованої схеми і побудуйте її векторні діаграми струмів і напруг. Розрахуйте резонансну частоту і характеристичний опір . Зніміть осцилограми напруг U_in(f), U_out(f).

7.3.2. Активізуйте схему і перевірте відповідність розрахункових значень I₀^*, I₁^*, I₂^*, U_out отриманим експериментально.

7.3.3. Шляхом порівняння осцилограм напруг U_in(f) та U_out(f) впевнитись, що U_{in m} = U_{out m} і фазовий зсув між ними дорівнює нулю при умові F = F_рез.

7.3.4. За допомогою аналізатора частотних характеристик отримайте залежність К(F) та φ(F) для значень F, що вказані таблиці 7.1. Отримані дані занесіть в аналогічну таблицю.

7.3.5. Включіть в кожну вітку (послідовно з індуктивністю L і послідовно із ємністю С) активні опори R₁ = R₂ = r/2. Опір у загальній ділянці R₀ прийняти рівним 1 Ohm. Повторити п. 7.3.3 і п. 7.3.4. Зробіть висновок щодо впливу активного опору у резонансному контурі. Перевірте, чи змінилось значення F_рез.

7.3.6. Повторити п. 7.3.5 для R₁ = R₂ = r. Поясніть отримані результати.

7.3.7. Збільшіть значення опору R₀ до 100 Ohm. Значення R₁ = R₂ = r/2. Отримайте за допомогою аналізатора частотних характеристик залежність K(F) для зазначених параметрах схеми і порівняйте із K(F), отриманою в п. 7.3.5.