Перейти к содержанию

RC-цепь на осциллографе

Программы: Tle, APC, Sek II

Открыть полную версию ↗

Цель

Пронаблюдать заряд и разряд конденсатора на осциллографе и измерить постоянную времени.

Установка

Источник переменного напряжения — прямоугольный сигнал от 0 до 5 В (амплитуда 2,5 В, смещение 2,5 В), 10 Гц. Резистор 1 кОм и конденсатор 10 мкФ, соединённые последовательно (\(\tau\) = 10 мс). Осциллограф: КАН 1 — источник, КАН 2 — конденсатор, режим DUAL, 2 В/дел, 20 мс/дел, синхронизация по КАН 1 на уровне 2,5 В.

Ход работы

  1. Рассмотрите обе осциллограммы.
  2. Ручкой ВРЕМЯ/ДЕЛ установите 5 мс/дел.
  3. Измерьте время, за которое напряжение на конденсаторе вырастает от 0 до 3,16 В (63% от 5 В).
  4. В карточке параметров конденсатора замените 10 мкФ на 22 мкФ и снова измерьте время до 63%.
  5. Верните 10 мкФ и увеличьте частоту источника до 50 Гц.
Ожидаемый результат

После каждого переднего фронта прямоугольного сигнала конденсатор заряжается, а после заднего — разряжается, по экспоненте. Напряжение достигает 63% за 10 мс — 2 деления при 5 мс/дел. С 22 мкФ \(\tau\) вырастает до 22 мс, и за полупериод конденсатор уже не разряжается до нуля — минимум около 0,5 В. При 50 Гц полупериод (10 мс) короче нескольких \(\tau\), и конденсатор не успевает зарядиться полностью.

Вопросы

  1. Почему напряжение на конденсаторе не может измениться мгновенно?
  2. Какую частоту прямоугольного сигнала нужно выбрать, чтобы конденсатор успевал зарядиться почти полностью?
Ответы
  1. Напряжение на конденсаторе определяется его зарядом, \(U = Q / C\), а заряд меняется не быстрее, чем ток приносит его на обкладки. Резистор ограничивает этот ток значением не более 5 В / 1 кОм = 5 мА, поэтому напряжение меняется постепенно; для скачка нужен был бы бесконечно большой ток.
  2. Полупериод должен длиться не меньше \(5\tau\); за это время конденсатор заряжается более чем на 99%. При \(\tau\) = 10 мс это 50 мс, период 100 мс, то есть \(f \le 1 / (10\tau)\) = 10 Гц: заданные в установке 10 Гц — самая высокая такая частота.