Перевести ключ К4 у верхнє (за схемою) положення, що дає можливість спостерігати осцилограми напруги на конденсаторі С1 досліджуваного ланцюга

5. Перевести ключ К4 у верхнє (за схемою) положення, що дає можливість спостерігати осцилограми напруги на конденсаторі С1 досліджуваного ланцюга.

 Включити схему і, дочекавшись появи зображення на екрані віртуального осцилографа, замалювати осцилограми вхідної напруги і напруги на конденсаторі С1.

Визначити параметри змальованих сигналів (амплітуду, тривалість, період). За осцилограмами визначити тривалість перехідного процесу у досліджуваному ланцюзі і розрахувати постійну часу досліджуваного ланцюга. Приклад осцилограми приведено на рис. 1.18.

6. Для дослідження RL-ланцюга встановити ключ К2 у положення, що забезпечує це дослідження, а ключ К4 - у нижнє (за схемою) положення, яке забезпечує вимір струмів схеми.

Включити схему і, дочекавшись появи зображення на екрані віртуального осцилографа, замалювати осцилограми вхідної напруги і струму котушки.

Визначити параметри змальованих сигналів (амплітуду, тривалість, період). За осцилограмами визначити тривалість перехідного процесу у досліджуваному ланцюзі і розрахувати постійну часу досліджуваного ланцюга. Приклад осцилограми приведено на рис. 1.19.

7. Перевести ключ К4 у верхнє по схемі положення, що дає можливість спостерігати осцилограми напруги на котушці індуктивності L1 досліджуваного ланцюга.

Включити схему і, дочекавшись появи зображення на екрані віртуального осцилографа, замалювати осцилограми вхідної напруги і напруги котушки досліджуваного ланцюга. За осцилограмами визначити тривалість перехідного процесу у досліджуваному ланцюзі і розрахувати постійну часу досліджуваного ланцюга. Приклад осцилограми приведено на рис. 1.20.

3.5 Зміст звіту

До звіту заносять:

- тему та мету роботи;

- принципову схему електричного кола, яке аналізується;

- епюри струмів і напруг на окремих ділянках ланцюга досліджуваних схем;

- розрахунки тривалості перехідних процесів;

- висновки по роботі.

3.6 Контрольні питання

1. Які елементи ланцюгів називають реактивними?

2. Від яких параметрів ланцюга залежить швидкість зміни струму в ланцюги і напруги на окремих її ділянках?

3. Фізичне поняття тривалості часу перехідного процесу у ланцюзі з реактивними елементами.

4. Фізичне поняття «постійної часу ланцюга» з реактивними елементами.

5. Визначення постійної часу rL - ланцюга і вплив величини опору на тривалість перехідного процесу.

6. Визначення постійної часу ланцюга графічно і аналітично.

7. Диференціюючи ланцюги і фізичний сенс процесів, що відбуваються в них.

8. Інтегруючи ланцюги і фізичний сенс процесів, що відбуваються в них.

9. 5. Визначення постійної часу rС - ланцюга і вплив величини опору на тривалість перехідного процесу.

10. Визначити умову, при якій rC-ланцюг є диференціюючим.

11. Визначити умову, при якій rC-ланцюг є інтегруючим. Вибір r і С інтегруючого ланцюга.

12. сформулюйте закони комутації.

Лабораторна робота № 2

дослідження перехідних процесів в лінійних ланцюгах другого порядку

1.1 Мета роботи:

експериментальне дослідження перехідного процесу в ланцюзі з послідовним з'єднанням RLC- елементів при включенні її в ланцюг постійного струму.

1.2 Зміст роботи:

для заданого електричного кола (рис.2.1):

- встановити задані (за варіантами) параметри елементів;

- скласти характеристичне рівняння та знайти його коріння;

- по результатам рішення визначити вид перехідного процесу в досліджуваному ланцюзі;

- провести необхідні вимірювання величин струмів та напруги (табл. 2.2);

- зарисувати епюри струмів та напруги на елементах досліджуваного ланцюга;

1.3 Теоретичні відомості:

аналізу перехідного процесу електричного кола другого порядку.

При всіх змінах в електричному ланцюзі: включенні, виключенні, короткому замиканні, коливаннях величини якого-небудь параметра і т.п. - в ній виникають перехідні процеси, які не можуть протікати миттєво, оскільки неможлива миттєва зміна енергії, яка запасена в електромагнітному полі ланцюга. Таким чином, перехідний процес обумовлений невідповідністю величини запасеної енергії в магнітному полі котушки і електричному полі конденсатора її значенню для нового стану ланцюга.

При перехідних процесах можуть виникати великі перенапруження, надструми, електромагнітні коливання, які можуть порушити роботу пристрою аж до виходу його з ладу. У інших випадках, перехідні процеси знаходять корисне практичне застосування (у різних електронних генераторах). Все це обумовлює необхідність вивчення методів аналізу нестаціонарних режимів роботи ланцюга.

Основні методи аналізу перехідних процесів в лінійних ланцюгах:

1.  Класичний метод, що полягає в безпосередній інтеграції диференціальних рівнянь, які характеризують електромагнітний стан ланцюга.

2.  Операторний метод, що полягає в рішенні системи рівнянь, алгебри, щодо зображень шуканих змінних з подальшим переходом від знайдених зображень до оригіналів.

3.  Частотний метод, що заснований на перетворенні Фур'є і знаходить широке застосування при рішенні задач синтезу.

4.  Метод розрахунку за допомогою інтеграла Дюамеля, використовуваний при складній формі кривої збуджуючої дії.

5.  Метод змінних стану, що є впорядкованим способом визначення електромагнітного стану ланцюга на основі рішення системи диференційних рівнянь першого порядку, записаних в нормальній формі (формі Коші).

Оскільки короткий виклад всіх вище перелічених методів скрутно, нижче приведено короткий опис тільки класичного методу аналізу.

Класичний метод розрахунку

Класичний метод розрахунку перехідних процесів полягає в безпосередній інтеграції диференціальних рівнянь, які характеризують зміни струмів і напружень на ділянках ланцюга в перехідному процесі.

У загальному випадку при використанні класичного методу розрахунку складаються рівняння електромагнітного стану ланцюга по законах Ома і Кірхгофа для миттєвих значень напружень і струмів, зв'язаних між собою на окремих елементах ланцюга співвідношеннями:

для резистора (ідеальний активний опір)

(2.1)

для котушки індуктивності (ідеальна індуктивність)

(2.2)

для конденсатора (ідеальна місткість)

(2.3)

Для послідовного ланцюга, що містить лінійні резистор R, котушку індуктивності L і конденсатор С, при її підключенні до джерела з постійною напругою u (рис. 1.1) можна записати

(2.4)

Диференціюючи цей вираз одержимо лінійне диференціальне рівняння другого порядку

. (2.5)

Порядок даного рівняння рівний числу незалежних накопичувачів енергії в ланцюзі. Під ними розуміються котушки індуктивності і конденсатори в спрощеній схемі, яка одержується з початкової шляхом об'єднання індуктивностей і відповідно ємностей елементів, з'єднання між якими є послідовними або паралельними.

У загальному випадку порядок диференціального рівняння визначається співвідношенням

(2.6)

де  и  - відповідно число котушок індуктивності і конденсаторів після вказаного спрощення початкової схеми;  - число вузлів, в яких сходяться тільки гілки, що містять котушки індуктивності (відповідно до першого закону Кірхгофа струм через будь-яку котушку індуктивності в цьому випадку визначається струмами через решту котушок);  - число контурів схеми, гілки яких містять тільки конденсатори (відповідно до другого закону Кірхгофа напруга на будь-якому з конденсаторів в цьому випадку визначається напругою на інших).

Наявність індуктивних зв'язків на порядок диференціального рівняння не впливає.

У рішенні рівняння (2.5) класичним методом примушена складова струму відсутня а форма запису вільної складової струму залежить від виду коріння характеристичного рівняння яке виходить шляхом заміни  на р² ,  - на р і р⁰ = 1.

LP²+RP+1/C=0 (2.7)

коріння цього характеристичного рівняння визначається як

Р_1,2= (2.8)

Позначивши

Одержимо

Р_1,2= (2.9)

Залежно від співвідношення и ₀ можливі три випадки:

а)  > ₀ , т.е.

(аперіодичний процес).

У площині комплексного змінного коріння характеристичного рівняння лежить на речовинній осі

Напруга на елементах U_R=Ri= (е^p1t-е^p2t),

U_L=L= (P₁е^p1t-P₂е^p2t),

U_C=E-U_R-U_L=E[1+ (P2еp1--P1еp2t)].

Графіки залежностей U_R, U_L, U_C від часу приведені (рис.2.3).

б)   _ , R = 2, Q = 0.5 (критичний режим),

Р_1,2 =-, i(t)=.

Форма кривих залежностей струму і напруги на R, L, C від часу аналогічна аперіодичному режиму, умова Q=0.5 є граничною умовою існування в ланцюзі аперіодичних процесів;

в)  (коливальний процес).

Коріння характеристичного рівняння комплексно-зв'язане (рис.2.4).

Струм в ланцюзі є затухаючим гармонійним коливанням, амплітуда якого зменшується в часі по експоненціальному закону (рис.2.5).

Напруга на елементах ланцюга

Швидкість зменшення амплітуди коливань оцінюють величиною декременту загасання

Δ = e^δTсв

де Т_св - період вільних коливань,

і логарифмічним декрементом загасання

θ = ln Δ = δ Tсв = Tсв / τ_св .

при визначенні декремента загасання по експериментально одержаній осцилограмі струму його зручно знаходити як відношення амплітуд першого і другого періодів затухаючих коливань

Δ = Im₁ / Im_2,

як показано на рис 2.7,

1.4 Порядок виконання роботи:

1.  Зібрати (на екрані монітору ПК) у програмі Electronics Workbench за допомогою стандартизованих елементів (табл. 2.1), схему заданого електричного кола (рис 2.8).

2. Включити зібрану схему за допомогою перемикача, або натиснувши на клавіатурі ПК кнопки Ctrl+G.

3. Натиснути клавішу «Пробел». на екрані віртуального осцилографа повинні з'явитися імпульс вхідної дії і сигнал реакції схеми на цю дію.

4. Вимкнути схему за допомогою того ж перемикача, або натиснувши на клавіатурі ПК Ctrl+Т.

5. за допомогою шкал віртуального осцилографа визначити амплітудні і часові характеристики перехідного процесу того, що протікає в схемі. Зарисувати одержані епюри напружень. Одержані дані занести в таблицю 1.2

Таблиця 2.1 – Початкові значення за варіантами

№. варіанта	L, мГ	С, мкФ	R, Ом
1	10	0,47	22
2	10	1	22
3	40	0,1	100
4	40	0,22	100
5	40	0,47	100
6	40	1	100
7	100	0,1	220
8	100	0,22	220
9	140	0,1	150
10	200	0,1	220

Таблиця 2.2 – Числові дані характеристик електричного кола

	Розрахункові дані						Експериментальні дані
Величина	Р1	Р2	f0	δ	Tсв	Q	Im1	Im2	Tсв	δ	Q
Дані замірів:

6. Показати на комплексній площині розташування коріння характеристичного рівняння. Зробити висновок про характер перехідного процесу.

7. розрахувати коефіцієнт загасання δ, частоту вільних коливань, а також постійну інтегрування А = Е / (ω_СВL)

1.5 Зміст звіту

До звіту заносять:

- тему і мету роботи;

- принципову схему електричного кола, яке аналізується;

- теоретичний розрахунок параметрів електричного кола, яке аналізується

- результати вимірювання струмів та напруг на окремих ділянках досліджуваного кола;

- результати розрахунку параметрів перехідного процесу;

- епюри вхідної дії і перехідного процесу;

- висновки по роботі.

1.6 Контрольні питання

1. як складається характеристичне рівняння?

2. які види перехідних процесів можливі в RLC - ланцюгах залежно від виду коріння характеристичного рівняння.

3. як визначаються начальне умови для досліджуваної схемі?

4. Що характеризує декремент затухання і як він визначається?

5. як по значенню комплексного кореня визначити постійну часу обгинання?

6. як по значенню комплексного кореня визначити період вільних коливань?

Лабораторна робота №3

ДОСЛІДЖЕННЯ нелінійних ланцюгів ПОСТІЙНОГО СТРУМУ

 

2.1 Мета роботи: Експериментальне дослідження розподілу струмів і напружень в нелінійному електричному ланцюзі (ЕЛ) постійного струму. Визначення струмів і напружень в нелінійному ЕЛ графоаналітичними методами.

2.2 Зміст роботи:

Для заданого електричного кола (рис.3.1):

- встановити задані параметри джерела живлення електричного кола;

- провести необхідні вимірювання величин струмів та напруги;

- розрахувати параметри кола постійного струму з нелінійними елементами;

- оцінити похибки вимірювань та зробити висновки щодо режимів роботи лінії. При оцінці похибок вимірювань вважати межею вимірювань Iмах = 1А (для амперметрів), Vмах = 10 В (для вольтметрів), а за клас точності прийняти для всіх приладів δ = 0,1.

2.3 Теоретичні відомості:

ЕЛ звуться нелінійними, якщо в ланцюзі є хоч би один нелінійний елемент (НЕ). У таких елементів вольт-амперна характеристика (ВАХ) (I = f (U)) є нелінійною функцією, оскільки опір цього елементу залежить від величини і напряму струму, що протікає через нього, або від величини і знаку напруги, прикладеної до нього. Нелінійні елементи описуються нелінійними характеристиками, які не мають строгого аналітичного виразу, визначаються експериментально і задаються табличний або графіками.

Нелінійні елементи можна розділити на двох - і багатополюсні. Останні містять три (різні напівпровідникові і електронні тріоди) і більш (магнітні підсилювачі, багатообмоточні трансформатори, тетроди, пентоди і ін.) полюсів, за допомогою яких вони під'єднуються до електричного ланцюга. Характерною особливістю багатополюсних елементів є те, що в загальному випадку їх властивості визначаються сімейством характеристик, що представляють залежності вихідних характеристик від вхідних змінних і навпаки: вхідні характеристики будують для ряду фіксованих значень одного з вихідних параметрів, вихідні - для ряду фіксованих значень одного з вхідних.

За іншою ознакою класифікації нелінійні елементи можна розділити на інерційні і неінерційні. Інерційними називаються елементи, характеристики яких залежать від швидкості зміни змінних. Для таких елементів статичні характеристики, що визначають залежність між діючими значеннями змінних, відрізняються від динамічних характеристик, що встановлюють взаємозв'язок між миттєвими значеннями змінних. Неінерційними називаються елементи, характеристики яких не залежать від швидкості зміни змінних. Для таких елементів статичні і динамічні характеристики співпадають.

Залежно від виду характеристик розрізняють нелінійні елементи з симетричними і несиметричними характеристиками. Симетричною називається характеристика, не залежна від напряму визначальних її величин, тобто що має симетрію відносно почала системи координат: . Для несиметричної характеристики ця умова не виконується, тобто . Наявність у нелінійного елементу симетричної характеристики дозволяє у цілому ряді випадків спростити аналіз схеми, здійснюючи його в межах одного квадранта.

У сучасних засобах автоматики, радіотехніки і обчислювальної техніки широке застосування знаходять НЕ (діоди, транзистори, тиристори і т.д.), які мають різні по формі ВАХ.

Параметри нелінійних елементів

Залежно від умов роботи нелінійного елемента і характеру завдання розрізняють статичний, диференціальний і динамічний опори.

Якщо нелінійний елемент є неінерційним, то він характеризується першими двома з перерахованих параметрів.

Статичний опір рівний відношенню напруги на резистивному елементі до струму який протікає через нього.

 .

Під диференціальним опором розуміється відношення нескінченно малого приросту напруги до відповідного приросту струму

 .

Слід зазначити, що у некерованого нелінійного елемента завжди , а може приймати і негативні значення.

У разі інерційного нелінійного резистора вводиться поняття динамічного опору

визначуваного по динамічній ВАХ. Залежно від швидкості зміни змінної, наприклад струму, може мінятися не тільки величина, але і знак

Методи розрахунку простих нелінійних ЕЛ

При розрахунку нелінійних ЕЛ застосовуються графоаналітичні методи, засновані на застосуванні законів Кірхгофа і використанні заданих ВАХ елементів які використовуються ланцюзі. Перш за все, розглянемо ЕЛ, що складається з двох послідовно сполучених нелінійних резисторів НС1 и НС2 (рис. 3.2). ВАХ резисторів 1 и 2 приведені на рис. 3.3.

До ланцюга підведена напруга U, і вона дорівнює сумі падінь напруг на НС1 і НС2:

U (I) = U₁ (I) + U₂ (I). (2.1)

По всьому ланцюгу протікає один і той же струм I, оскільки НС1 і НС2 сполучені між собою послідовно. Для визначення струму в ЭЦ потрібно побудувати результуючу ВАХ ланцюга. Для побудови цієї характеристики слід підсумовувати абсциси кривих 1 і 2 (аг = ав + аб), відповідні одним і тим же значенням струму (рис. 2.3). Далі, задаючись довільним значенням струму можна побудувати ВАХ всього ланцюга (рис. 3.3, крива 3). Потім, користуючись цією ВАХ, можна знайти струм всього ланцюга і напруги на резисторах НС1 и НС2. Для цього відкладемо на осі абсцис відрізок ОР і проведемо з точки р пряму (паралельну осі ординат або перпендикулярну осі абсцис) до перетину з кривою 3. Так одержимо відрізок nр = ко= I. (сила струму всього ланцюга). Для знайденого струму по ВАХ 1 і ВАХ 2 знаходимо напруги U₁ і U₂:

U₁ = кd; U₂ = кс.

При паралельному з'єднанні двох НЕ (рис. 2.4) струм в нерозгалуженій частині ЭЛ рівний сумі струмів окремих гілок.

Тому при побудові результуючої ВАХ всього ланцюга слід підсумовувати ординати графіків 1 і 2 (рис. 3.5), відповідні одним і тим же значенням напруги, оскільки до цього НЕ прикладена одна і та ж напруга, яка дорівнює напрузі зовнішньої мережі, тобто джерела живлення.

Наприклад, для довільного значення напруги U = oа знаходимо ординату аг крапки для результуючої кривої 3:

аг = ав + аб.

Далі, задаючись довільним значенням напруги, можна побудувати ВАХ всього ланцюга, рис. 2.5, (кривая 3). Потім, користуючись ВАХ, можна при будь-якому значенні прикладеної напруги U (відрізок ор) знайти величину загального струму I (рn = ок). Це напруга U також визначає значення струмів I₁ і I₂ у окремих гілках.

У разі змішаного з'єднання НЕ (рис. 3.5).

У разі змішаного з'єднання НЭ (рис. 3.6), розрахунок ланцюга проводять в наступному порядку:

1.  Паралельно з’єднані НЕ (НС1 і НС2) замінюють одним еквівалентним нелінійним опором НС з ВАХ 4 (рис. 3.7), яка одержана шляхом підсумовування кривих 1 і 2 по напрузі, тобто так само, як і у разі паралельних з'єднань двох НЕ.

2.  Для отримання послідовного ланцюга будують результуючу ВАХ 5 шляхом підсумовування кривих 3 і 4 по струму, тобто так само, як і при послідовному з'єднанні двох нелінійних НЕ.

3.  По результуючій ВАХ 5 визначають для заданого значення загальної напруги величину струму I₃ у нерозгалуженій частині ланцюга.

4.  Струм I₃ визначає напругу U₃ і U_аб, а напруга U_аб, дозволяє по графіках 1 і 2 визначити струми I₁ і I₂ у гілках НС1 і НС2.