14. Постоянная времени RC-цепи

ЭКСПЕРИМЕНТ 14 Постоянная времени RC-цепи

Цели

После проведения данного эксперимента Вы сможете продемонстрировать, как величины емкости и сопротивления управляют временем заряда и разряда конденсатора.

Необходимые принадлежности

* Цифровой мультиметр

* Макетная панель

* Источник постоянного напряжения

* Секундомер или часы с секундной стрелкой

* Элементы:

один электролитический конденсатор 22 мкФ, один электролитический конденсатор 100 мкФ, один резистор 33 кОм, 1/4 Вт,

* один резистор 100 кОм, 1/4 Вт, один резистор 220 кОм, 1/4 Вт, один резистор 1 МОм, 1/4 Вт.

ВВОДНАЯ ЧАСТЬ

Конденсатор представляет собой электроэлемент, который накапливает электричество в форме электрического поля. Когда к конденсатору прикладывается постоянное напряжение, электроны покидают одну обкладку конденсатора и скапливаются на другой обкладке под действием

внешней силы напряжения. Это приводит к заряду конденсатора до напряжения, равного приложенному напряжению.

Положительный заряд на одной обкладке конденсатора и отрицательный заряд на другой обкладке конденсатора создают сильное электрическое поле между обкладками в диэлектрике. Такой заряд удерживается даже в том случае, если источник напряжения отсоединяется. Конденсатор может разряжаться соединением его выводов друг с другом для нейтрализации заряда на обкладках.

Зарядка и разрядка конденсатора до определенного напряжения занимает конечный период времени (называемый постоянной времени); это время зависит в основном от емкости конденсатора и включенного последовательно сопротивления. Постоянная времени зарядки — это время, которое требуется конденсатору, чтобы зарядиться до 63, 2% приложенного напряжения. Это время (Т) в секундах выражается так:

Т=RС

Постоянная времени разрядки — это время, которое требуется конденсатору, чтобы разрядиться до 36, 8% от начального заряда.

Время, которое требуется конденсатору, чтобы полностью зарядиться до приложенного напряжения или полностью разрядиться до нуля, приблизительно равно пятикратной постоянной времени, то есть 5Т.

Краткое содержание

Многие электронные схемы основываются на идее использования постоянной времени для своей работы. К таким схемам относятся, например, схемы задержки времени, схемы формирования импульсов и сигналов, а также генераторные схемы. В настоящем эксперименте Вы познакомитесь с постоянной времени заряда и разряда, используя для этого три различных группы резисторов и конденсаторов.

ПРОЦЕДУРА

Процесс зарядки

Резистор 100 кОм; конденсатор 100 мкф

1. Соберите схему, показанную на рисунке 14-1. Соблюдайте полярность при подключении электролитического конденсатора.

Рис. 14-1.

2. Отрегулируйте источник питания на напряжение 12 В.

3. Рассчитайте величину напряжения, которое появится на конденсаторе в течение одной постоянной времени.

Напряжение (Т) = ______ В

4. Рассчитайте постоянную времени, используя значения, показанные на рисунке 14-1. Запишите Ваш результат в колонку 3 на рисунке 14-2. Рассчитайте также значение времени, которое потребуется конденсатору, чтобы полностью зарядиться (5Т). Запишите Ваш результат в колонку 4 на рисунке 14-2.

Рис. 14-2.

5. Соедините измерительные выводы Вашего мультиметра, соблюдая полярность, с выводами конденсатора. Мультиметр должен показать 0 В. Если это не так, на обкладках конденсатора имеется некоторое остаточное напряжение. Удалите его, кратковременно закорачивая выводы конденсатора друг с другом в течение нескольких секунд. Снова выполните измерение напряжения Вашим мультиметром, чтобы убедиться, что напряжение конденсатора равно нулю.

6. Оставьте измерительные выводы мультиметра на выводах конденсатора, свободный конец резистора 100 кОм присоедините к выводу+ 12 В источника питания. В момент присоединения

запустите Ваш секундомер или начните отсчет времени при помощи секундной стрелки Ваших часов. Когда напряжение на конденсаторе начнет расти, замечайте его величину. Когда напряжение на конденсаторе достигнет значения, которое Вы рассчитали в шаге 2, заметьте время по секундомеру или по секундной стрелке. Запишите это значение в качестве измеренной постоянной времени в колонку 5 рисунка 14-2.

ПРИМЕЧАНИЕ: Повторите данный шаг несколько раз, чтобы убедиться в том, что Ваш отсчет времени относительно точен. Ведь Вы пытаетесь наблюдать как за показаниями вольтметра, так и за секундомером, чтобы определить время, необходимое для достижения конкретного уровня напряжения. Это довольно мудреная операция, так что повторите ее несколько раз для большей точности измерений. ВНИМАНИЕ:

если Вам потребуется повторять эксперимент, удаляйте резистор 10кОм и полностью разряжайте конденсатор 100 мкФ, прежде чем приступать к каждому дополнительному измерению. 7. Снова полностью разрядите конденсатор и снова подсоедините измерительные выводы. Коснитесь свободным выводом резистора 100 кОм к выводу +12 В источника питания. На этот раз измерьте время, которое потребуется конденсатору для полной зарядки до величины приложенного напряжения, которое Вы измерили в шаге 1. Как и прежде, начните отсчет времени по секундомеру или по секундной стрелке часов в том момент, когда Вы подаете напряжение на резистор. Запишите это измеренное время,

которое требуется конденсатору для полной зарядки, в колонку 6 рисунка 14-2.

Резистор 11 к0м; конденсатор 22 мкф

8. Повторите шаги с 4 по 7. используя конденсатор 22 мкф и резистор 100 к0м. Заполните поля в таблице на рисунке 14-2, как Вы это делали раньше. Вашими расчетными и измеренными значениями.

Резистор 220 к0м; конденсатор 100 мкф

9. Снова повторите шаги с 4 по 7, но на этот раз используйте конденсатор 100 мкФ и резистор 220 к0м. Запишите Ваши расчетные и измеренные значения в таблицу на рисунке 14-2.

Наблюдение

10. Рассматривая информацию на рисунке 14-2 и замечая различные значения времени, полученные при различных значениях сопротивления и емкости, сделайте Ваше собственное заключение относительно влияния значений сопротивления и емкости на постоянную времени.

Процесс разрядки

Резистор 100 к0м; конденсатор 100 мкф

11. Перекомпонуйте схему, чтобы она соответствовала схеме, показанной на рисунке 14-3. Соблюдайте полярность при подключении электролитического конденсатора. В данной части эксперимента Вы будете демонстрировать процесс разрядки конденсатора. Чтобы сделать это, подключите резистор параллельно конденсатору.

Рис. 14-3.

12. Рассчитайте постоянную времени схемы и время, которое требуется для полной разрядки конденсатора, и запишите Ваши данные в колонку 3 на рисунке 14-4.

Рис. 14-4.

13. Далее определите величину напряжения, до которого разрядится конденсатор за одну постоянную времени. Используйте исходное напряжение

источника питания, которое Вы измерили в шаге 1. Рассчитайте величину напряжения, которое будет присутствовать на Конденсаторе после его разрядки в течение одной постоянной времени.

Напряжение (t) = _______ В

Резистор 100 кОм; конденсатор 22 мкф

14. Подключите измерительные выводы Вашего мультиметра к конденсатору 22 мкф. В данное время напряжение должно равняться нулю, поскольку любой заряд на обкладках конденсатора был устранен в процессе разрядки конденсатора через резистор 1 МОм. Подключите схему к выводу+ 12 В источника питания. Конденсатор заряжается немедленно до напряжения источника питания; последовательно с конденсатором нет подключенного сопротивления.

15. Продолжайте фиксировать измерительные выводы мультиметра параллельно выводам конденсатора. Удалите соединительный провод с вывода+ 12 В источника питания. Одновременно с удалением провода начните отсчет времени по Вашему секундомеру или по секундной стрелке часов. Наблюдайте при этом за напряжением на выводах конденсатора. Когда напряжение достигнет нужного значения, заметьте время. Запишите постоянную времени в колонку 5 таблицы на рисунке 14-4. Как и раньше. Вы можете пожелать повторить шаги 13 и 14 несколько раз, чтобы улучшить точность измерений. Ведь, поскольку Вам приходится наблюдать одновременно за двумя значениями, измерение довольно хитроумно. Усредняя несколько показаний, Вы получите большую точность в измерении.

Резистор 220 кОм; конденсатор 22 мкф

16. Снова повторите шаги с 12 по 15, но на этот раз используйте конденсатор 22 мкф и резистор 220 кОм. Снова рассчитайте значения времени разрядки для одной постоянной времени и для пяти постоянных времени. Запишите все Ваши данные в таблицу на рисунке 14-4.

Наблюдение

17. Рассматривая информацию на рисунке 14-4 и замечая различные значения времени, полученные при различных значениях сопротивления и емкости, сделайте Ваше заключение относительно зависимости между временем разрядки и значениями сопротивления и емкости.

18. На основании сравнения Ваших расчетных и измеренных значений объясните возможные несоответствия.

ОБЗОРНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Требуется то же самое время для полной зарядки конденсатора, какое требуется и для полной его разрядки:

а) высказывание истинно,

б) высказывание ложно.

. 2. До какого напряжения зарядится конденсатор 5 мкф через резистор 10кОм за одну постоянную времени при его подключении к источнику питания 6 В?

а) 1, 4 В,

б) 2, 5 В,

в) 3, 8 В,

г) 5 В.

3. Сколько времени потребуется конденсатору из вопроса 2, чтобы полностью разрядиться?

а) 5 мс,

б) 10 мс,

в) 50 мс,

г) 250 мс.

4. Конденсатору требуется 80 миллисекунд, чтобы полностью зарядиться. Поэтому постоянная времени равна:

а) 8 мс,

б) 16 мс,

в) 40 мс,

г) 80 мс.

5. При заданных значениях R (сопротивление) и С (емкость) емкость удваивается, а сопротивление уменьшается в два раза, при этом постоянная времени:

а) остается прежней,

б) удваивается,

в) учетверяется,

г) уменьшается в два раза.