PŘECHODOVÝ JEV V RC OBVODU

Podobné dokumenty
Název: Měření nabíjecí a vybíjecí křivky kondenzátoru v RC obvodu, určení časové konstanty a její závislosti na odporu

PŘECHODOVÝ DĚJ VE STEJNOSMĚRNÉM EL. OBVODU zapnutí a vypnutí sériového RC členu ke zdroji stejnosměrného napětí

V následujícím obvodě určete metodou postupného zjednodušování hodnoty zadaných proudů, napětí a výkonů. Zadáno: U Z = 30 V R 6 = 30 Ω R 3 = 40 Ω R 3

Určeno pro posluchače všech bakalářských studijních programů FS

Czech Technical University in Prague Faculty of Electrical Engineering. Fakulta elektrotechnická. České vysoké učení technické v Praze

Nelineární obvody. V nelineárních obvodech však platí Kirchhoffovy zákony.

Oddělení fyzikálních praktik při Kabinetu výuky obecné fyziky MFF UK. Pracoval: Jiří Kozlík dne:

Příklady: 28. Obvody. 16. prosince 2008 FI FSI VUT v Brn 1

Fyzikální praktikum...

pracovní list studenta RC obvody Měření kapacity kondenzátoru Vojtěch Beneš

PRAKTIKUM II Elektřina a magnetismus

Obvod střídavého proudu s kapacitou

Systém vykonávající tlumené kmity lze popsat obyčejnou lineární diferenciální rovnice 2. řadu s nulovou pravou stranou:

V následujícím obvodě určete metodou postupného zjednodušování hodnoty zadaných proudů, napětí a výkonů. Zadáno: U Z = 30 V R 6 = 30 Ω R 3 = 40 Ω R 3

Identifikátor materiálu: VY_32_INOVACE_357

Fyzikální praktikum II - úloha č. 5

PRAKTIKUM II Elektřina a magnetismus

Laboratorní úloha č. 2 - Vnitřní odpor zdroje

1 Zdroj napětí náhradní obvod

Rezistor je součástka kmitočtově nezávislá, to znamená, že se chová stejně v obvodu AC i DC proudu (platí pro ideální rezistor).

Fyzikální praktikum FJFI ČVUT v Praze

3. Změřte závislost proudu a výkonu na velikosti kapacity zařazené do sériového RLC obvodu.

Název: Měření paralelního rezonančního LC obvodu

pracovní list studenta Elektrický proud v kovech Voltampérová charakteristika spotřebiče Eva Bochníčková

Studium tranzistorového zesilovače

ELEKTŘINA A MAGNETIZMUS

PRAKTIKUM II. Oddělení fyzikálních praktik při Kabinetu výuky obecné fyziky MFF UK. úlohač.5 Název: Měření osciloskopem. Pracoval: Lukáš Ledvina

Střední odborná škola a Střední odborné učiliště, Dubno

Účinky elektrického proudu. vzorová úloha (SŠ)

Střední průmyslová škola elektrotechnická a informačních technologií Brno

PRAKTIKUM II Elektřina a magnetismus

PRAKTIKUM II Elektřina a magnetismus

LABORATORNÍ PROTOKOL Z PŘEDMĚTU SILNOPROUDÁ ELEKTROTECHNIKA

Laboratorní měření 1. Seznam použitých přístrojů. Popis měřicího přípravku

Pracoviště 1. Vliv vnitřního odporu voltmetru na výstupní napětí můstku. Přístroje: Úkol měření: Schéma zapojení:

Základy elektrotechniky 2 (21ZEL2) Přednáška 1

Operační zesilovač, jeho vlastnosti a využití:

Flyback converter (Blokující měnič)

Střední průmyslová škola elektrotechnická a informačních technologií Brno

Praktikum II Elektřina a magnetismus

Laboratorní práce č. 1: Určení voltampérových charakteristik spotřebičů

VÝKONOVÉ TRANZISTORY MOS

Kompenzovaný vstupní dělič Analogový nízkofrekvenční milivoltmetr

Pracovní list žáka (ZŠ)

ELEKTRICKÝ PROUD V KOVECH. Mgr. Jan Ptáčník - GJVJ - Fyzika - Elektřina a magnetismus - 3. ročník

Elektrický zdroj napětí

Experiment P-10 OHMŮV ZÁKON. Sledování vztahu mezi napětím a proudem procházejícím obvodem s rezistorem známého odporu.

13 Měření na sériovém rezonančním obvodu

Střední průmyslová škola elektrotechnická a informačních technologií Brno

Téma: Měření voltampérové charakteristiky

R 4 U 3 R 6 R 20 R 3 I I 2

Určeno pro posluchače bakalářských studijních programů FS

Laboratorní práce č. 4: Určení elektrického odporu

Úloha 1: Zapojení integrovaného obvodu MA 7805 jako zdroje napětí a zdroje proudu

(s výjimkou komparátoru v zapojení č. 5) se vyhněte saturaci výstupního napětí. Volte tedy

2.POPIS MĚŘENÉHO PŘEDMĚTU Měřeným předmětem je v tomto případě zenerova dioda její hodnoty jsou uvedeny v tabulce:

Studium klopných obvodů

Elektronické praktikum EPR1

Fyzikální praktikum 3 Operační zesilovač

Laboratorní práce č. 3: Měření elektrického proudu a napětí

Diferenciální rovnice 1

Diferenciální počet 1 1. f(x) = ln arcsin 1 + x 1 x. 1 x 1 a x 1 0. f(x) = (cos x) cosh x + 3x. x 0 je derivace funkce f(x) v bodě x0.

2.POPIS MĚŘENÉHO PŘEDMĚTU Měřený předmětem jsou v tomto případě polovodičové diody, jejich údaje jsou uvedeny v tabulce:

Typ UCE0 (V) IC (A) PCmax (W)

Zadané hodnoty: R L L = 0,1 H. U = 24 V f = 50 Hz

Teorie úlohy: Operační zesilovač je elektronický obvod, který se využívá v měřící, výpočetní a regulační technice. Má napěťové zesílení alespoň A u

2 Přímé a nepřímé měření odporu

Fázorové diagramy pro ideální rezistor, skutečná cívka, ideální cívka, skutečný kondenzátor, ideální kondenzátor.

Elektronika pro informační technologie (IEL)

Automatizační technika Měření č. 6- Analogové snímače

1. Stanovte a graficky znázorněte charakteristiky vakuové diody (EZ 81) a Zenerovy diody (KZ 703).

Elektrická měření pro I. ročník (Laboratorní cvičení)

- Stabilizátory se Zenerovou diodou - Integrované stabilizátory

Pomůcky. Postup měření

Integrovaná střední škola, Sokolnice 496

Rozšíření rozsahu miliampérmetru a voltmetru, cejchování kompenzátorem

MĚŘENÍ Laboratorní cvičení z měření. Měření parametrů tyristoru, část 3-5-4

1. Změřte závislost indukčnosti cívky na procházejícím proudu pro tyto případy:

Technická měření v bezpečnostním inženýrství. Elektrická měření proud, napětí, odpor

Modelování a simulace Lukáš Otte

PRAKTIKUM II Elektřina a magnetismus

ČSN EN OPRAVA 2

Necht na hmotný bod působí pouze pružinová síla F 1 = ky, k > 0. Podle druhého Newtonova zákona je pohyb bodu popsán diferenciální rovnicí

6. Vnitřní odpor zdroje, volt-ampérová charakteristika žárovky

LABORATORNÍ CVIČENÍ Elektrotechnika a elektronika

MĚŘENÍ Laboratorní cvičení z měření. Měření přechodových dějů, část 3-4-3

2. Stanovte hodnoty aperiodizačních odporů pro dané kapacity (0,5; 1,0; 2,0; 5,0 µf). I v tomto případě stanovte velikost indukčnosti L.

MĚŘENÍ Laboratorní cvičení z měření. Měření magnetických veličin, část 3-9-3

STANOVENÍ TÍHOVÉHO ZRYCHLENÍ REVERZNÍM KYVADLEM A STUDIUM GRAVITAČNÍHO POLE

TEPELNÉ ÚČINKY EL. PROUDU

Polovodičový usměrňovač

[Otázky Autoelektrikář + Mechanik elektronických zařízení 1.část] Na rezistoru je napětí 25 V a teče jím proud 50 ma. Rezistor má hodnotu.

7. MĚŘENÍ LINEÁRNÍHO POSUVU

Unipolární tranzistor aplikace

Přechodné děje 1. řádu aplikační příklady

PŘEDNÁŠKA 1 - OBSAH. Přednáška 1 - Obsah

Základní vztahy v elektrických

FJFI ČVUT V PRAZE. Úloha 8: Závislost odporu termistoru na teplotě

FYZIKA II. Petr Praus 9. Přednáška Elektromagnetická indukce (pokračování) Elektromagnetické kmity a střídavé proudy

MĚŘENÍ NA USMĚRŇOVAČÍCH

Transkript:

PŘEHODOVÝ JEV V OBVOD Pracovní úkoly:. Odvoďte vztah popisující časovou závislost elektrického napětí na kondenzátoru při vybíjení. 2. Měřením určete nabíjecí a vybíjecí křivku kondenzátoru. 3. rčete nabíjecí a vybíjecí konstantu. Změřenou hodnotu porovnejte s vypočítanou. Pomůcky: zdroj stejnosměrného napětí, přípravek pro měření, voltmetr, stopky, vodiče Teorie: V odvodech stejnosměrného proudu s kondenzátory dochází po připojení ke zdroji elektrického napětí k nestacionárnímu stavu, kdy elektrický proud tyto kondenzátory nabíjí. Elektrický proud má v čase proměnnou velikost a v okamžiku nabití kondenzátorů zaniká. Při odpojení zdroje elektrického proudu jsou naopak kondenzátory vybíjeny zátěží tvořenou okolním elektrickým obvodem. Elektrický proud tekoucí kondenzátorem odnáší elektrický náboj dříve nahromaděný v kondenzátorech. Oba tyto jevy jsou označovány jako přechodové jevy. V praxi tento jev našel uplatnění v mnoha aplikacích v elektronice a elektrotechnice, např. v časovacích a zpožďovacích obvodech, dále při měření rezistancí, kapacit kondenzátorů a indukčností cívek. Nabíjení kondenzátoru: Přechodový jev nabíjení kondenzátoru je možné studovat v zapojení podle obrázku č.. Obrázek č. : Obvod pro studium nabíjení kondenzátoru Předpokládejme, že v čase t= s je na kondenzátoru nulové napětí (kondenzátor je vybitý). Obvod připojíme spínačem S ke zdroji elektrického napětí o velikosti. Obvodem prochází elektrický proud, který nabíjí kondenzátor. S rostoucím elektrickým nábojem na kondenzátoru roste i elektrické napětí na kondenzátoru. Na rezistoru vzniká úbytek elektrického napětí. V každém okamžiku pro elektrická napětí v obvodu platí vztah: () = Proud tekoucí obvodem vyjádříme z Ohmova zákona: I = (2) Velikost napětí na kondenzátoru závisí na jeho kapacitě a velikosti náboje uloženého v kondenzátoru podle vztahu: Q (3) 25 S. P.

Dosazením vztahů (2) a (3) do vztahu () získáme výraz: Q = I (4) Protože hledáme časovou závislost, derivujeme vztah (4) podle času a získáme: d d Q d I = (5) d t d t d t d Pro konstantní napětí zdroje, bude derivace rovna. Derivace náboje podle času představuje d t elektrický proud, proto lze výraz (5) přepsat do podoby: d I(t) d I(t) = I(t), resp. = I(t) (6) d t d t ovnice (6) je lineární diferenciální rovnicí. řádu bez pravé strany. Řešení předpokládáme ve tvaru t d I t I e, jehož derivace je e. Potom má rovnice (6) tvar: d t = t t t e e = e (7) ovnici splňuje řešení. Partikulární řešení má rovnice (6) má tvar I e. Obecné řešení dostaneme jako lineární kombinaci z počátečních podmínek. I K e Řešení musí splňovat rovnici (4) v čase t= s, kdy je náboj kondenzátoru Q nulový. Odtud platí pro konstantu K vztah: = K e = K e = K kde I představuje amplitudu elektrického proudu tekoucího obvodem. Obecné řešení popisující nabíjení kondenzátoru má podobu:, kde K je konstanta určená (8) K I, (9) t e nebo I e I I () S pomocí vztahů () a (2) lze dojít ke vztahu popisujícímu časovou závislost elektrického napětí na kondenzátoru během nabíjení: I I e e ( e ) () 25 S. P. 2

Z matematického rozboru výrazu () vyplývá, že elektrické napětí na kondenzátoru dosáhne hodnoty napětí zdroje v nekonečném čase. Z praktického hlediska po určité konečné době roste napětí na kondenzátoru již tak pomalu, že je tento růst běžnými přístroji neměřitelný. Vybíjení kondenzátoru: Přechodový jev vybíjení kondenzátoru je možné studovat v zapojení podle obrázku č. 2. Obrázek č. 2: Obvod pro studium vybíjení kondenzátoru V obvodu není zapojen žádný zdroj elektrického napětí, proto situaci popisuje následující rovnice: S použitím vztahů (2) a (3) lze výraz (2) upravit do podoby: = (2) Q I (3) Stejným postupem jako v případě nabíjení kondenzátoru lze odvodit hledanou závislost elektrického napětí na čase ve tvaru: = e (4) Vybíjení kondenzátoru opět trvá nekonečně dlouho, ale v praxi klesne napětí na kondenzátoru za konečnou dobu na neměřitelnou velikost. Ve vztazích (), () a (4) vystupující součin se označuje jako časová konstanta obvodu a značí. Princip měření: Měření se provádí v zapojení podle obrázku č. 3. Obrázek č. 3: Schéma zapojení měřícího obvodu pro studium nabíjení a vybíjení kondenzátoru ezistor se uplatňuje při nabíjení kondenzátoru ze zdroje stejnosměrného napětí. ezistor 2 slouží jako zátěž pro vybíjení kondenzátoru. Přepínačem V 3 se volí mezi režimem nabíjení a vybíjení. Pozn.: Z důvodu bezpečnosti jsou kondenzátor a rezistor umístěny uvnitř krabičky. ezistor 2 je umístěn vně, aby byla možná jeho jednoduchá výměna. 25 S. P. 3

Při měření nabíjení kondenzátoru připojte spínačem V 2 vybitý kondenzátor přes rezistor ke zdroji elektrického napětí. V pravidelných časových intervalech zapisujte velikost napětí na kondenzátoru. Po proložení získané závislosti =(t) teoretickou závislostí () lze získat časovou konstantu obvodu. Pro známou velikost odporu jsme schopni určit hodnotu kapacity kondenzátoru. (5) Pro zpracování měření je vhodné použití linearizace. Vyjdeme ze vztahu (), který upravíme: ( e e e ) e ln t tj. ln t f (t) (6) Graf závislosti ln f (t) lze zpracovat běžnou lineární regresí. Časovou konstantu obvodu určíme ze směrnice přímky:, (7) k kde k je směrnice přímky proložené závislostí f (t) ln. rčení časové konstanty nabíjení kondenzátoru v technické praxi: V technické praxi se lze setkat s jinou metodou určení časové konstanty obvodu. V čase t rovném časové konstantě obvodu přejde vztah () do podoby: ( e ) (,367879),632 (8) Časovou konstantu obvodu je možné chápat jako dobu, za kterou se kondenzátor nabije na napětí o velikosti 63,2 % napětí zdroje. Pozn.: Měření je zatíženo systematickou chybou způsobenou vnitřním odporem použitého voltmetru. Voltmetrem paralelně připojeným k nabíjenému kondenzátoru prochází elektrický proud, který by jinak nabíjel kondenzátor. Nabíjení trvá déle a naměřená kapacita vychází vyšší. Při měření vybíjení kondenzátoru připojte spínačem V 2 kondenzátor nabitý na napětí k rezistoru 2 tvořícímu zátěž. V pravidelných časových intervalech zapisujte velikost napětí na kondenzátoru. Po proložení získané závislosti =(t) teoretickou závislostí (4) lze získat časovou konstantu obvodu. Pro známou velikost odporu 2 jsme opět podle vztahu (5) schopni určit hodnotu kapacity kondenzátoru. 25 S. P. 4

Pro zpracování měření je vhodné použití linearizace. Vyjdeme ze vztahu (4), který upravíme: e e ln t tj. ln t f (t) (9) Graf závislosti ln f (t) lze zpracovat běžnou lineární regresí. Časovou konstantu obvodu určíme ze směrnice přímky:, k kde k je směrnice přímky proložené závislostí f (t) ln. rčení časové konstanty vybíjení kondenzátoru v technické praxi: V technické praxi se lze setkat s jinou metodou určení časové konstanty obvodu. V čase t rovném časové konstantě obvodu přejde vztah (4) do podoby: e,367879,368 (2) Časovou konstantu obvodu je možné chápat jako dobu, za kterou se kondenzátor vybije na napětí o velikosti 36,8 % napětí zdroje (tj. ). e Pozn.: Měření je opět zatíženo systematickou chybou způsobenou vnitřním odporem použitého voltmetru. Voltmetrem paralelně připojeným k nabíjenému kondenzátoru prochází elektrický proud, který vybíjí kondenzátor. Vybíjení trvá kratší dobu a kapacita vypočtená ze vztahu (5) vychází nižší. Systematickou chybu měření při nabíjení a vybíjení lze částečně eliminovat použitím voltmetru o velkém vstupním odporu a rezistorů s výrazně nižšími hodnotami odporů, resp. 2. Pokyny pro měření:. Zapojte obvod podle schématu na obrázku 3. 2. Na základě hodnot kapacity kondenzátoru a velikostí odporů a 2 odhadněte časové konstanty obvodu n pro nabíjení a v pro vybíjení. 3. Přepínač V 3 přepněte do polohy pro vybíjení, rozepněte spínač V 2 a sepnutím spínače V zcela vybijte kondenzátor. Jakmile klesne napětí na kondenzátoru na, rozepněte zkratovací spínač V. Pozor, aby nedošlo ke zkratu zdroje např. nevhodnou polohou přepínačů V 2 a V 3! 4. Přepínač V 3 přepněte do polohy pro nabíjení. Současně se sepnutím spínače V 2 spusťte stopky. Zapisujte si v pravidelných intervalech odpovídající hodnoty napětí do tabulky, dokud se hodnota elektrického napětí neustálí. 25 S. P. 5

5. Odpojte zdroj napětí od kondenzátoru rozepnutím spínače V 2. Přepněte přepínač V 3 do polohy pro vybíjení. Současně se sepnutím spínače V 2 spusťte stopky. Zapisujte si v pravidelných intervalech odpovídající hodnoty napětí do tabulky, dokud hodnota elektrického napětí neklesne do blízkosti nuly. 6. Opakujte postup z bodů 3-5 nejméně 5x. 7. Sestrojte grafy =(t) a f (t) ln pro nabíjení kondenzátoru. 8. Sestrojte grafy =(t) a ln f (t) pro vybíjení kondenzátoru. 9. Pomocí vztahů (8) a (2) určete časové konstanty obvodu pro nabíjení n a vybíjení v.. Z časových konstant n a v stanovte kapacitu kondenzátoru.. Porovnejte vypočtené a změřené hodnoty časových konstant n a v. Porovnejte změřenou hodnotu kapacity kondenzátoru s hodnotou uváděnou výrobcem. 2. Posuďte, zda je možné zanedbat hodnotu vnitřního odporu voltmetru. Pozor! V kondenzátoru se hromadí velké množství elektrické energie, která se může prakticky okamžitě uvolnit a způsobit úraz elektrickým proudem! Literatura: [i] SEDLÁK, B., ŠTOLL, I. Elektřina a magnetismus. Praha: Academia, 993, 22. [ii] ANE, K. Elektronika (fyzikální a analogová část). Plzeň: Vydavatelství ZČ, 2. 25 S. P. 6