4 Описание схемы для получения осциллограмм напряжения и тока через конденсатор в процессе его заряда и разряда
На рисунке 4.1 представлена электрическая схема для получения осциллограмм напряжения и тока через катушку с потерями в процессе ее заряда и разряда.
Рисунок 4.1 – Снимок с экрана электрической схемы для получения осциллограмм напряжения и тока через катушку в процессе ее заряда и разряда
Электрическая схема состоит из последовательно включенных источника напряжения, коммутационного устройства и реальной катушки . Источник напряжения содержит идеальный источник напряжения GB1 с внутренним сопротивлением Ri. Реальная катушка содержит идеальную катушку L (без потерь) и эквивалентное последовательное сопротивление потерь ESR.
В момент начала заряда t
= 0 катушка представляет собой разрыв
цепи (ток в цепи отсутствует), а затем
ток возрастает и достигает значений
,
величина которого ограничена резистором
Ri . При разряде катушка
замыкается на резистор Ri.
Резистор Ri выполняет
функцию ограничителя максимального
тока разряда. При заряде Ri
разделяет напряжения GB1
и на катушке UL
. В противном случае процесс изменения
напряжения на катушке при заряде
наблюдать невозможно, так как он будет
всегда равен напряжению идеального
источника напряжения..
Изменение напряжения на катушке и тока через нее наблюдают с помощью двухканального осциллографа. С измерением напряжения на катушке нет проблем, однако ток осциллограф не измеряет. Поэтому ток вначале преобразуют в напряжения при помощи резистора-датчика тока. Удобно использовать в качестве этого резистора сопротивление потерь ESR модели реального катушки.
При зарядке напряжение на катушке
изменяется
согласно теории по следующему закону
Параметр
называется
постоянной времени заряда и определяется
по формуле
.
Катушка заряжается (накапливает энергию
магнитного поля) и при
напряжения на катушке падает практически
до нуля. Постоянная времени заряда для
нашего случая рассчитывается как
= 10-6 / 103 = 10-9 с или 1 нс.
При заряде ток через катушку
изменяется согласно теории по следующему
закону
.
В конце заряда при t
= ∞, ток имеет максимальное значение
и применительно к нашему варианту равен
12
мА.
Ток
,
проходя через резистор ESR,
вызывает на нем падение напряжения
,
которое равно
= 12 мА · 0,02 Ом = 240 мкВ.
На рисунке 4.2 представлены значение параметров органов управления применительно к нашему варианту.
Рисунок 4.2 – Установка необходимых значений органов управления
Наблюдение за изменением напряжения и тока катушку проводится с помощью осциллографа в режиме однократного запуска развертки от сигнала по входу Х. Режим синхронизации развертки переводится в положение «Ext». При измерении заряда конденсатора вход Х подключается к источнику напряжения через переключатель. При изменении положения переключателя из положения 2 в 1 на входе Х формируется положительный фронт.
Для удобства анализа осциллограмм проводник для канала А усилителя вертикального отклонения имеет черный цвет, а проводник для канала В – красный цвет. Аналогичные цвета будут иметь соответствующие осциллограммы.
Для получения режима однократного запуска необходимо на панели органов управления осциллографом в секторе «Trigger» установить внешнее управление «Ext» запуска развертки по положительному фронту «Edge», а также уровень синхронизации «Level» 0,10 как показано на рисунке 4.2.
По длине рабочей части дисплея осциллографа нужно уложить от 2 до 3 постоянных времени τ (1 нс), то есть от 2 до 3 нс. Длина экрана определяет размер осциллограммы по горизонтали и содержит 14 клеток (div). Тогда на одну клетку будет приходиться
(от 2 нс до 3 нс) / 14 клеток = от 0,14 до 0,21 нс / клетка
Выберем время на одну клетку (коэффициент развертки) 0, 2 мкс/ клетка или как указано в соответствующем окне на панели осциллографе 0,20 nс/ div.
Высота рабочей части дисплея осциллографа определяет размер осциллограммы по вертикали и содержит 3 клетки вверх и 3 клетки вниз от средней линии (временнóй оси).
На вход канала А усилителя вертикального отклонения подается напряжение с катушки . Осциллограмма напряжения на конденсаторе может отклоняться от средней линии максимум на напряжение источника питания, то есть 12 В. Тогда коэффициент отклонения вертикального усилителя должен быть 12 В/3 клетки равен 4 V/div. Установим ближайший в сторону увеличения имеющийся в этом осциллографе коэффициент отклонения вертикального усилителя 5 V/div.
На вход канала В усилителя вертикального отклонения подается напряжение с резистора ESR , пропорциональное току через катушку. Осциллограмма тока (напряжения на резисторе ESR ) через катушку может отклоняться от средней линии на 0,02 Ом × 12 мА = 240 мкВ. Тогда коэффициент отклонения вертикального усилителя должен быть 240 мкВ/3 = 80 μV/div. Установим ближайший в сторону увеличения имеющийся в этом осциллографе коэффициент отклонения вертикального усилителя 100 μV/div.
Входы каналов А и В установим в состояние открытого входа «DC». Смещение по вертикали «Y position» осциллограмм относительно средней линии установим равным нулю, а смещение по горизонтали «X position» - 0,6 (клетки) для гарантированного наблюдения начала процесса заряда. Вид развертки – временнáя «Y/T».
Для анализа осциллограмм по экрану осциллографа можно перемещать две вертикальных отрезка : один красного цвета, а другой синего, называемых курсорами. Вверху красного курсора имеется треугольник красного цвета с цифрой «1», а вверху синего курсора имеется треугольник синего цвета с цифрой «2». Курсор мышки наводится на любой из этих треугольников, нажимается ее левая кнопка, и красный или синий курсоры помещаются в нужное нам положение в пределах длины экрана осциллографа. При этом курсор может пересекать осциллограмму, которая представляет собой линию графика зависимости напряжения от времени. Точка пересечения имеет координаты напряжение – время.
Осциллограф двухканальный, поэтому на дисплее могут присутствовать одновременно две осциллограммы, имеющие одинаковый масштаб по оси времени и, в общем случае, разные масштабы по оси напряжений. Соответственно, точек пересечения с осциллограммами , в общем случае, может быть четыре: две с красным курсором и две – с синим.
Конкретные значения этих параметров отображаются в трех окнах, расположенных сразу под экраном осциллографа.
В крайнем левом окне представлены следующие параметры, связанные с красным курсором «1»:
-Т1 – положение красного курсора «1» на оси времени;
- VA1 – напряжение для точки пересечения осциллограммы от канала А с красным курсором «1»;
- VВ1 – напряжение для точки пересечения осциллограммы от канала В с красным курсором «1».
В центральном окне представлены следующие параметры, связанные с синим курсором «2»:
-Т2 – положение синего курсора «2» на оси времени;
- VA2 – напряжение для точки пересечения осциллограммы от канала А с синим курсором «2»;
- VВ2 – напряжение для точки пересечения осциллограммы от канала В с синим курсором «2».
В крайнем правом окне представлены разностные значения времен и напряжений в пределах каждого канала (разностные значения времен для обеих каналов совпадают)