Ryszard Kostecki. Badanie własności układu RLC

Podobne dokumenty
Ryszard Kostecki. Badanie własności filtru rezonansowego, dolnoprzepustowego i górnoprzepustowego

Badanie własności diód krzemowej, germanowej, oraz diody Zenera

Ryszard Kostecki. Wyznaczanie oporu grupy oporników

BADANIE SZEREGOWEGO OBWODU REZONANSOWEGO RLC

Ćwiczenie 3 Badanie własności podstawowych liniowych członów automatyki opartych na biernych elementach elektrycznych

Pomiar podstawowych wielkości elektrycznych

Własności dynamiczne przetworników pierwszego rzędu

Tranzystor bipolarny LABORATORIUM 5 i 6

BADANIE REZONANSU W SZEREGOWYM OBWODZIE LC

4.2 Analiza fourierowska(f1)

PRACOWNIA ELEKTRONIKI

13 K A T E D R A F I ZYKI S T O S O W AN E J

Laboratorum 2 Badanie filtru dolnoprzepustowego P O P R A W A

Bierne układy różniczkujące i całkujące typu RC

I= = E <0 /R <0 = (E/R)

Wartość średnia półokresowa prądu sinusoidalnego I śr : Analogicznie określa się wartość skuteczną i średnią napięcia sinusoidalnego:

Sprawozdanie z zajęć laboratoryjnych: Fizyka dla elektroników 2

u(t)=u R (t)+u L (t)+u C (t)

POLITECHNIKA ŁÓDZKA INSTYTUT FIZYKI. Temperaturowa zależność statycznych i dynamicznych charakterystyk złącza p-n

Wyznaczanie krzywej ładowania kondensatora

A6: Wzmacniacze operacyjne w układach nieliniowych (diody)

E 6.1. Wyznaczanie elementów LC obwodu metodą rezonansu

PRAWO OHMA DLA PRĄDU PRZEMIENNEGO

E1. OBWODY PRĄDU STAŁEGO WYZNACZANIE OPORU PRZEWODNIKÓW I SIŁY ELEKTROMOTORYCZNEJ ŹRÓDŁA

autor: Włodzimierz Wolczyński rozwiązywał (a)... ARKUSIK 28 PRĄD PRZEMIENNY

Ćw. 27. Wyznaczenie elementów L C metoda rezonansu

Wstęp. Doświadczenia. 1 Pomiar oporności z użyciem omomierza multimetru

Wstęp do ćwiczeń na pracowni elektronicznej

Ćwiczenie nr 254. Badanie ładowania i rozładowywania kondensatora. Ustawiony prąd ładowania I [ ma ]: t ł [ s ] U ł [ V ] t r [ s ] U r [ V ] ln(u r )

LI OLIMPIADA FIZYCZNA ETAP II Zadanie doświadczalne

LABORATORIUM OBWODÓW I SYGNAŁÓW

WZMACNIACZE OPERACYJNE

LABORATORIUM ELEKTROTECHNIKI POMIAR PRZESUNIĘCIA FAZOWEGO

R L. Badanie układu RLC COACH 07. Program: Coach 6 Projekt: CMA Coach Projects\ PTSN Coach 6\ Elektronika\RLC.cma Przykłady: RLC.cmr, RLC1.

POLITECHNIKA ŚLĄSKA INSTYTUT AUTOMATYKI ZAKŁAD SYSTEMÓW POMIAROWYCH

Katedra Fizyki Ciała Stałego Uniwersytetu Łódzkiego. Ćwiczenie 2 Badanie funkcji korelacji w przebiegach elektrycznych.

Ćwiczenie 21. Badanie właściwości dynamicznych obiektów II rzędu. Zakres wymaganych wiadomości do kolokwium wstępnego: Program ćwiczenia:

Badanie zjawiska rezonansu elektrycznego w obwodzie RLC

Badanie własności fotodiody

LABORATORIUM OBWODÓW I SYGNAŁÓW. Stany nieustalone

Badanie wzmacniacza niskiej częstotliwości

Układ RLC z diodą. Zadanie: Nazwisko i imię: Nr. albumu: Grzegorz Graczyk. Nazwisko i imię: Nr. albumu:

Badanie zjawiska rezonansu elektrycznego w obwodzie RLC

Ćwiczenie 5. Pomiary parametrów sygnałów napięciowych. Program ćwiczenia:

WYKŁAD 2 Pojęcia podstawowe obwodów prądu zmiennego

PRAWO OHMA DLA PRĄDU PRZEMIENNEGO

Laboratorum 1 Podstawy pomiaru wielkości elektrycznych Analiza niepewności pomiarowych

F = e(v B) (2) F = evb (3)

PODSTAWY METROLOGII ĆWICZENIE 7 TEMPERATURA Międzywydziałowa Szkoła Inżynierii Biomedycznej 2009/2010 SEMESTR 3

BADANIE DRGAŃ TŁUMIONYCH WAHADŁA FIZYCZNEGO

Analiza zderzeń dwóch ciał sprężystych

2 K A T E D R A F I ZYKI S T O S O W AN E J

Zaprojektowanie i zbadanie dyskryminatora amplitudy impulsów i generatora impulsów prostokątnych (inaczej multiwibrator astabilny).

LABORATORIUM PODZESPOŁÓW ELEKTRONICZNYCH. Ćwiczenie nr 2. Pomiar pojemności i indukcyjności. Szeregowy i równoległy obwód rezonansowy

PRAWO OHMA DLA PRĄDU PRZEMIENNEGO. Instrukcja wykonawcza

1 Ćwiczenia wprowadzające

Ćwiczenie 24 Temat: Obwód prądu stałego RL i RC stany nieustalone. Cel ćwiczenia

E107. Bezpromieniste sprzężenie obwodów RLC

POLITECHNIKA WARSZAWSKA Wydział Elektryczny Zakład Systemów Informacyjno-Pomiarowych

Źródła zasilania i parametry przebiegu zmiennego

Wydział IMiC Zadania z elektrotechniki i elektroniki AMD 2014 AMD

Wyznaczanie oporu elektrycznego właściwego przewodników

Badanie widma fali akustycznej

Drgania wymuszone - wahadło Pohla

TRANZYSTOR BIPOLARNY. WZMACNIACZ TRANZYSTOROWY

07 K AT E D R A FIZYKI STOSOWA N E J

Podstawy Elektrotechniki i Elektroniki. Opracował: Mgr inż. Marek Staude

MGR Prądy zmienne.

Badanie transformatora

XLVI OLIMPIADA FIZYCZNA (1996/1997). Stopień III, zadanie doświadczalne D

STABILIZATOR NAPIĘCIA

Ćwiczenie A2 : Filtry bierne

POLITECHNIKA WROCŁAWSKA, WYDZIAŁ PPT I-21 LABORATORIUM Z PODSTAW ELEKTROTECHNIKI I ELEKTRONIKI 2

SERIA II ĆWICZENIE 2_3. Temat ćwiczenia: Pomiary rezystancji metodą bezpośrednią i pośrednią. Wiadomości do powtórzenia:

) I = dq. Obwody RC. I II prawo Kirchhoffa: t = RC (stała czasowa) IR V C. ! E d! l = 0 IR +V C. R dq dt + Q C V 0 = 0. C 1 e dt = V 0.

Generator. R a. 2. Wyznaczenie reaktancji pojemnościowej kondensatora C. 2.1 Schemat układu pomiarowego. Rys Schemat ideowy układu pomiarowego

Stosując tzw. równania telegraficzne możemy wyznaczyć napięcie i prąd w układzie: x x. x x

W celu obliczenia charakterystyki częstotliwościowej zastosujemy wzór 1. charakterystyka amplitudowa 0,

2.Rezonans w obwodach elektrycznych

Podstawy fizyki sezon 2 7. Układy elektryczne RLC

Wzmacniacze operacyjne

Wykład FIZYKA I. 10. Ruch drgający tłumiony i wymuszony. Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

BADANIE EFEKTU HALLA. Instrukcja wykonawcza

Drgania w obwodzie LC. Autorzy: Zbigniew Kąkol Kamil Kutorasiński

Wzmacniacz operacyjny

Drgania tłumione. Rys.1 Szeregowy obwód RLC.

Ćwiczenie ELE. Jacek Grela, Łukasz Marciniak 3 grudnia Rys.1 Schemat wzmacniacza ładunkowego.

CEL ĆWICZENIA: Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z zastosowaniem diod i wzmacniacza operacyjnego

U 2 B 1 C 1 =10nF. C 2 =10nF

EUROELEKTRA Ogólnopolska Olimpiada Wiedzy Elektrycznej i Elektronicznej Rok szkolny 2012/2013 Zadania dla grupy elektronicznej na zawody III stopnia

Wyznaczanie charakterystyki prądowo-napięciowej wybranych elementów 1

Oscyloskop. Dzielnik napięcia. Linia długa

TEORIA OBWODÓW I SYGNAŁÓW LABORATORIUM

Technik elektronik 311[07] Zadanie praktyczne

POMIARY CHARAKTERYSTYKI CZĘSTOTLIWOŚCIOWEJ IMPEDANCJI ELEMENTÓW R L C

Źródła i 1detektory IV. ZJAWISKO FOTOELEKTRYCZNE WEWNĘTRZNE W PÓŁPRZEWODNIKACH.


Plan metodyczny do lekcji fizyki. TEMAT: Prawo Ohma. Opór elektryczny.

Ćw. III. Dioda Zenera

Podstawy Elektrotechniki i Elektroniki. Opracował: Mgr inż. Marek Staude

Transkrypt:

Ryszard Kostecki Badanie własności układu RLC Warszawa, marca

Streszczenie Celem tej pracy jest zbadanie własności układu oscylującego RLC dla dwóch różnych wartości rezystancji R. Podstawy teoretyczne Rozważmy obwód elektryczny, którego schemat znajduje się na rysunku. Oznaczmy przez: Uc (t - wartość napięcia na kondensatorze Uc Uc (t L, ΔL - odpowiednio: wartość indukcyjności cewki i błąd tej wartości C, ΔC - odpowiednio: wartość pojemności kondensatora i błąd tej wartości R, ΔR - odpowiednio: wartość oporu badanego opornika i błąd tej wartości Rg - wartość rezystancji wyjściowej generatora Ro - wartość rezystancji wejściowej oscyloskopu i - natężenie prądu Rysunek Jeśli założymy, że Ro >> Rg i Ro >> R, oraz zaniedbamy pasożytnicze wielkości charakteryzujące elementy obwodu, to prawdziwym z dość dobrym przybliżeniem stanie się wzór (. Dla warunku określonego wzorem ( rozwiązanie tego równania różniczkowego ma charakter oscylacyjny i wyraża się wzorem (3. Po przekształceniu tego wzoru otrzymujemy wzór (5 opisujący zmiany napięcia na kondensatorze w funkcji czasu i charakterystyki układu. ( ( (3 (5 di idt ( R + Rg i + L + dt C 4L ( R + Rg < C Uc R + Rg i( t exp( tsin( ω * t Lω L R + Rg Uc( t Uc exp( t cos( ω * t L gdzie : (4 ω ( R + Rg LC 4L strona z 7

Realizacja techniczna Do przeprowadzenia doświadczenia użyłem dwóch oporników, jednego o rezystancji R (5± Ω, drugiego o rezystancji R (56± Ω (wartości te zmierzyłem multimetrem cyfrowym. Ponadto użyłem też kondensatora i cewki, płytki montażowej, kilku przewodów, oraz generatora generującego sygnał prostokątny i oscyloskopu. Doświadczenie rozpocząłem od pomiaru R obydwu oporników za pomocą multimetru cyfrowego, po czym zlutowałem obwód, zgodnie ze schematem zamieszczonym na rysunku. Następnie podałem z generatora na wejście obwodu sygnał prostokątny o amplitudzie khz. Po ustaleniu odpowiedniej skali na oscyloskopie dokonałem pomiaru kształtu pojedynczego ciągu oscylacji ze szczególnym uwzględnieniem punktów charakterystycznych krzywej. Po zakończeniu pomiarów wymieniłem opornik R (5± Ω na R (56± Ω i powtórzyłem doświadczenie. Rysunek Wyniki pomiarów Poniżej znajdują się wyniki pomiarów zmierzonych wartości t, U, gdzie t było wyznaczone przez poziomą oś na ekranie oscylatora, a U przez oś pionową (przy czym w obydwu przypadkach oś U była ustawiona tak, aby w nieskończoności wykres napięcia na kondensatorze zbiegał do zera. dla R (5± Ω dla R (56± Ω t [4μs] Δt [4μs] U [/5V] ΔU [/5V] t [μs] Δt [μs] U [/5V] ΔU [/5V]. -.. -..... 3. 8. 5.5. 9.5. 5...5.. 7. -3.5. 3.5. -3. 9.5.. 8...... 4.. 8.. 6.5. -9. 8.5... 8. 3.5.. 6. -6. 8.. 3.5. 5. 33.. 35. -4. 37.5.. 39.5. 3.5. 4.. 44.5. -.5. Dane te po naniesieniu na wykres prezentują się następująco: strona 3 z 7

Wykres Ba da nie z a le ż ności U (T dla R(5± Ω : 5 U [/5 V ] 5-5 - -5-5 5 5 5 3 35 4 45 T [4 m ik ros e k.] Wykres dla R(56± Ω : 8 6 4 Ba da nie z a le ż ności U (T U [/5 V ] - -4 Analiza wyników Aby dopasować do danych pomiarowych funkcję określoną wzorem (5 dokonałem następujących obliczeń: ω wyliczyłem wyliczając najpierw średni okres na podstawie ze średniej arytmetycznej podwojonych odległości czasowych pomiędzy punktami o U (czyli miejscami zerowymi, po czym skorzystałem z poniższych wzorów: N -6-8 - - -5 5 5 5 3 N T [ m ik ros e k.] Ti ( T Ti i i π ω ω T T, T, ω, ω π N N T T T Aby znaleźć Uc, oraz L przekształciłem wartości zarejestrowanych minimów i maksimów przekształceniem U(t log( U(t. Do otrzymanego w ten sposób zbioru punktów [t,log( U(t ] dopasowałem prostą najmniejszych kwadratów o wzorze y a*x + b, gdzie y log( U(t, x t, a (R+Rg/L, b log(uc. W tym celu skorzystałem z własnoręcznie napisanego programu analizy danych Panda (dostępnego w internecie pod adresem http://tempac.okwf.fuw.edu.pl/~rpkost. Otrzymane w ten sposób wyniki przekształciłem zgodnie z położonymi na następnej stronie wzorami. z programu tego pochodzą również wszystkie wykresy zamieszczone w tej pracy strona 4 z 7

(6 R + Rg L a (7 (8 (9 L Uc Uc L a a exp( b Uc b b L + ( R + Rg ( R + Rg exp( b b Uc b a ( ( R + Rg ( R + Rg a + a W wyniku wyżej opisanego postępowania otrzymałem następujące wyniki: R (5± Ω T (.(7 ±.53334 μs ω (.7584696676 ±.89354947 MHz przybliżenie zależnością liniową Par pomiarów - a -,38875 [/μs] Δa,8955 [/μs] b.996 Δb.3445 czyli: Uc 7.96769 V ΔUc.4564669 V L.443438536565 Ω*s ΔL.845387 Ω*s po zaokrągleniu: Uc 7.97 V ΔUc.4 V L.433 Ω*s 4.43 mh ΔL. Ω*s. mh ω (.76 ±.8 MHz R (56± Ω T (8.(6 ±.39443337755 μs ω (7.4983575 ±.664686856 MHz przybliżenie zależnością liniową Par pomiarów - 4 a -,48695 [/μs] Δa,855 [/μs] b.443 Δb.393 czyli: Uc 4.574 V ΔUc.966879793 V L.683488 Ω*s ΔL.3495379579 Ω*s po zaokrągleniu: Uc 4.5 V ΔUc.97 V L.68 Ω*s 6.8 mh ΔL.3 Ω*s.3 mh ω (7.5 ±. MHz Tak natomiast wyglądają wykresy dopasowania prostej najmniejszych strona 5 z 7

Wykres 3 kwadratów do logarytmu modułów ekstremów przebiegu funkcji Uc(t: dla R(5± Ω : 3,, 8, 6, 4 Ba da nie z a le ż ności log( U (T log( U [ ],,, 8, 6, 4 dla R(56± Ω :,,,4, 8, 5 5 5 3 35 4 45 T [4 m ik ros e k.], Ba da n ie z a le ż ności log( U (T Wykres 4,8 log( U [ ],6,4,,,8 ( L L R 5Ω R 5Ω L R 56Ω + ( L R 56Ω.8 < 3,6 5 5 T [ m ik ros e k.] Wnioski i dyskusja wyniku Otrzymane dwie różne wartości indukcji cewki są zgodne ze sobą w obliczu "testu 3σ". Jest to wynik zadowalający. Jednakże już wartości Uc dla obydwu oporników w obliczu "testu 3σ" nie są ze sobą zgodne. Najbardziej prawdopodobne wytłumaczenie tego faktu jest takie, iż po wymianie opornika zmieniła się także charakterystyka "pasożytnicza" obwodu, co spowodowało efekty "dyssypacji napięcia". Jeśli chodzi o różnicę w wartościach ω, to jest ona oczywista: wynika ona z różnych wartości R w obwodach (patrz: wzór (4. Ciekawostką jest fakt, szczególnie widoczny na wykresach 3 i 4, iż logarytmy modułów ekstremów mierzonych napięć układają się regularnie na przemian: raz poniżej prostej najmniejszych kwadratów, raz powyżej niej. Wydaje mi się, że wytłumaczenie tego faktu może być następujące: jesli zróżniczkujemy funkcję Uc(t, zapisaną zgodnie ze wzorem (5, to otrzymamy złożenie funkcji harmonicznych sin(..., oraz cos(..., tłumione gasnącą fukcją exp(.... Oscylacje wokół prostej najmniejszych kwadratów wynikają więc ze swoistych "dudnień" pochodnej funkcji Uc(t. Potwierdza to ponadto fakt, iż wykonane (w celach przetestowania tej hipotezy osobne wykresy dla samych minimów i samych maksimów znacznie lepiej dały się przybliżyć prostą najmniejszych kwadratów. Nie zmienia to jednak faktu, iż wynik końcowy nie jest dokładny z powodu różnych czynników (poza dokładnością miernika wprowadzających niepewność. Wśród najbardziej istotnych znajdują się: Na pewno i przede wszystkim bardzo mała liczba punktów pomiarowych. W przypadku R(56±Ω dopasowywanie prostej do czterech punktów pomiarowych zakrawa nawet na przerost formy nad treścią. Niestety jednak w tym przypadku mogę się jedynie ograniczyć do bezradnej kontemplacji tego faktu, bowiem zarówno silne tłumienie (jak widać na wykresie drgań, jak i dokładność oscyloskopu nie pozwoliły mi na uzyskanie większej dokładności. Nieidealność zasilacza i oscyloskopu jako woltomierza: idealny woltomierz posiada nieskończony opór. W praktyce oczywiście tak nie jest. Idealny zasilacz podaje zawsze stałe napięcie niezależnie od obciążenia, sądzę, iż tak też nie było. podaję zapis ciał tych funkcji w notacji "(...", bowiem w tym rozważaniu nie są one istotne strona 6 z 7

Wzory użyte w tej pracy były wzorami przybliżonymi, bowiem nie uwzględniały zarówno pasożytniczego wpływu otoczenia na charakterystykę układu, jak i pasożytniczych cech samych elementów obwodu. Stosowane przeze mnie przewody łączące woltomierz i zasilacz z płytką montażową, a także same wtyki do tych przewodów mogły się także przyczynić do generacji błędów. Niepomijalny wpływ wniosła też zapewne pojemność, indukcja i rezystancja kabli. strona 7 z 7