RC-коло на осцилографі

Програми: Tle, APC, Sek II

Відкрити повну версію ↗

Мета

Спостерігати заряджання і розряджання конденсатора на осцилографі та виміряти сталу часу.

Установка

Джерело змінної напруги — прямокутний сигнал від 0 до 5 В (амплітуда 2,5 В, зміщення 2,5 В), 10 Гц. Послідовно з’єднані резистор 1 кОм і конденсатор 10 мкФ (\(\tau\) = 10 мс). Осцилограф: КАН 1 — джерело, КАН 2 — конденсатор, режим DUAL, 2 В/под, 20 мс/под, синхронізація за КАН 1 на рівні 2,5 В.

Хід роботи

1. Розгляньте обидві осцилограми.
2. Ручкою ЧАС/ПОД установіть 5 мс/под.
3. Виміряйте час, за який напруга на конденсаторі зростає від 0 до 3,16 В (63% від 5 В).
4. У картці параметрів конденсатора замініть 10 мкФ на 22 мкФ і знову виміряйте час до 63%.
5. Поверніть 10 мкФ і збільште частоту джерела до 50 Гц.

Очікуваний результат

На кожному передньому фронті прямокутного сигналу конденсатор заряджається, а на задньому — розряджається, за експонентою. Напруга досягає 63% за 10 мс — це 2 поділки з розгорткою 5 мс/под. З 22 мкФ \(\tau\) зростає до 22 мс, і за півперіод конденсатор уже не розряджається до нуля — мінімум становить близько 0,5 В. На частоті 50 Гц півперіод (10 мс) коротший за кілька \(\tau\), і конденсатор не встигає зарядитися повністю.

Запитання

1. Чому напруга на конденсаторі не може змінитися миттєво?
2. Яку частоту прямокутного сигналу слід вибрати, щоб конденсатор встигав зарядитися майже повністю?

Відповіді

1. Напругу на конденсаторі визначає його заряд, \(U = Q / C\), а заряд змінюється лише так швидко, як струм приносить його на обкладки. Резистор обмежує цей струм значенням щонайбільше 5 В / 1 кОм = 5 мА, тому напруга змінюється поступово; для стрибка потрібен був би нескінченно великий струм.
2. Півперіод має тривати щонайменше \(5\tau\); за цей час конденсатор заряджається більш ніж на 99%. Коли \(\tau\) = 10 мс, це 50 мс, тобто період 100 мс, отже \(f \le 1 / (10\tau)\) = 10 Гц: задані в установці 10 Гц — найвища така частота.