42152

ИЗУЧЕНИЕ РЕЛАКСАЦИОННОГО ГЕНЕРАТОРА

Лабораторная работа

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Если напряжение на электродах лампы U меньше напряжения зажигания потенциал зажигания U3 т. В этом случае сопротивление лампы RЛ бесконечно велико. Идеализированная вольтамперная характеристика неоновой лампы имеет вид представленный на рис. Связь между током лампы и напряжением как это видно из графика может быть линейной и записана в виде: ...

Русский

2013-10-27

107.5 KB

14 чел.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА   3-9

ИЗУЧЕНИЕ РЕЛАКСАЦИОННОГО ГЕНЕРАТОРА

Цель работы: изучение работы релаксационного генератора на неоновой лампе.

ПОСТАНОВКА   ЗАДАЧИ

Релаксационным колебанием называется периодически повторяющийся процесс, состоящий из двух стадий: 1) медленного накопления энергии системы до определенного критического значения. 2) последующей разрядки, проходящей почти мгновенно.

         Рассмотрим действие релаксационного генератора, основной частью которого является неоновая лампа. Неоновая лампа состоит из стеклянного баллона, в который впаяно два электрода анод и катод в виде коаксиальных (соосных) цилиндров, расположенных на расстоянии 1-3 мм. Баллон заполнен неоном при низком давлении (10-15 мм рт.ст.). Если напряжение на электродах лампы U меньше напряжения зажигания (потенциал зажигания) U3 , т.е. U < U3 , то ток через лампу практически не идет, так как неон является диэлектриком. В этом случае сопротивление лампы (RЛ) бесконечно велико. При разности потенциалов Uз происходит пробой диэлектрика через лампу пойдет ток зажигания Jз , лампа вспыхнет.

Идеализированная вольт-амперная характеристика неоновой лампы имеет вид, представленный на рис. 1. Здесь стрелки показывают изменение тока при увеличении и уменьшении напряжения, Uг напряжение, при котором лампа гаснет. Связь между током лампы и напряжением, как это видно из графика, может быть линейной и записана в виде:

                                                                                                                        

                       

                                                                   

                                                                                                                         

                                          ,                 (1)

где Rл  внутреннее сопротивление лампы. Рассмотрим действие релаксационного генератора, изображенного на рис.2. При замыкании ключа конденсатор медленно заряжается от источника тока Uи , напряжение на электродах лампы возрастает. В момент, когда напряжение на конденсаторе достигает значения Uз , лампа зажигается, через нее идет ток.  При этом проходит быстрый разряд конденсатора. Когда разность потенциалов на электродах лампы упадет до значения Uг , лампа гаснет. Разряд конденсатора прекратится, и он снова начнет заряжаться. Таким образом, лампа будет периодически вспыхивать через определенные промежутки времени Т. График процесса показан на рис. 3. Релаксационный генератор описанного типа будет источником напряжения.

      U

      U

      UЗ 

      

                          1

      UГ

                                       t                      t + T                                             t

                                                        Рис. 3

Найдем зависимость параметров генератора R, C, Uз, Uг от времени t. Согласно закону Ома и первому закону Кирхгофа

                                          I R + UГ = UИ,                                                          (2)      

                                               I1 + I2 = I ,                                                (3)        

где IR падение напряжения на сопротивлении R, U разность потенциалов между обкладками конденсатора.  Uи  напряжение на клеммах источника тока. Исключая из полученной системы трех уравнений (1-3) I и I2 , получим

.    (4)

Так как

.    (5)

Следовательно, уравнение (4) примет вид дифференциального уравнения

.    (6)

Решением его является выражение

 ,    (7)

в чем можно убедиться непосредственно подстановкой (7) в (6) (А постоянная интегрирования). Запишем (7) для момента времени, предшествующего зажиганию лампы. Пусть промежуток времени от момента включения источника тока до зажигания лампы мал. Если лампа не горит, то ее сопротивление Rл = . В этом случае уравнение (7) принимает вид

    (8)

и справедливо в интервале времени (0 t  ). Из начальных условий t=0, U=0 получаем R А = Uи , следовательно, напряжение на обкладках конденсатора в момент t  изменяется по закону

                                            .                                       (9)      

График этой зависимости показан на рис. 3, участок 1.

         Как только напряжение достигает значения напряжения зажигания, лампа вспыхивает и начинается быстрый разряд конденсатора, который продолжается до тех пор, пока лампа не погаснет, то есть напряжение не достигнет величины  UГ. Затем следует новый рост напряжения до  UЗ и новый разряд до  UГ, и так далее. Так как время разряда много меньше времени заряда, то время изменения напряжения от  UГ  до  UЗ  можно считать периодом колебаний  Т  релаксационного генератора. Найдем формулу для этого периода колебаний.

         Пусть в момент времени  t   U = UГ , тогда в момент  (t + T) напряжение станет равным  UЗ. Подставив эти значения в уравнение (9), получим

                         ;     .                      (10)

Раскроем скобки и после преобразований имеем

                    ;                .

Поделив почленно эти уравнения и прологарифмировав правую и левую части, получим

                            .

Откуда следует

.     (11)

Если вместо известного сопротивления R включить неизвестное Rx, то период колебаний изменится и станет равным

.     (12)

Поделив почленно уравнение (12) на (11), получим

.     (13)

Аналогично, если в цепь вместо известной ёмкости С включить неизвестную, то получим аналогичное соотношение для периодов и емкостей

                                              .                                                        (14)

1. Снятие вольт - амперной характеристики неоновой лампы

Убедитесь, что магазины ёмкостей, сопротивления и кассета ФПЭ 12/13 соединены проводниками по схеме рис.3 (где R и С   магазины сопротивлений и емкостей)

 

 

 

                                                                                                             

                             Рис. 3                                                         Рис. 4.

Для снятия вольт-амперной характеристики (зависимость тока лампы от напряжения источника питания Uи) кнопку “режим” на кассете ФПЭ-12 отжать. Выставьте значение R магазина сопротивлений в пределах 1-100 Ом << Rл . В этом случае лампа включается по схеме рис.4. Изменяя напряжение источника тока от 0 до 130 В через 5В, снимите показания миллиамперметра, занесите в таблицу и постройте график зависимости I=f(U) по табл. 1.

Таблица 1

Uи, В

0

10

20

30

40

45

далее

через 5 В

Iл пр, mА

Iл обр, mА

Найдите напряжение зажигания UЗ и гашения UГ  неоновой лампы. Вычислите внутреннее сопротивление работающей лампы Rл по формуле (1).

2. Изучение релаксационного генератора

Кнопку “режим” на пульте кассеты ФПЭ-12 приведите в положение “включено” (утопить). Подайте напряжение 110 В с источника питания.        В этом случае лампа включается по схеме 2 релаксационного генератора. Включите сопротивление R (1-3) 106 Ом и ёмкость С (2-9) 10-2 мкФ. Убедившись по пульсации луча осциллографа или по вспыхиванию неоновой лампы (см. рис.3), что релаксационный генератор работает, получите на экране осциллографа пилообразные кривые. Изменяя параметры С при R=const, а затем R при С=const, наблюдайте на экране зависимость UС=f(t) или UR=f(t). Зарисуйте её. Качественно убедитесь в справедливости соотношения (11). Сделайте выводы.

3. Определение больших сопротивлений (емкостей).

Включите схему в режиме генератора (кнопка “режим” утоплена). На магазине сопротивлений установите сопротивление в несколько мегаом (1-3 106 Ом). На магазине емкостей установите емкость (2-3)10-3 мкФ. Определите по осциллографу период колебаний Т (число делений на экране осциллографа, укладывающихся между максимумами или минимумами кривой, умножить на цену деления развертки, указанной вблизи рукоятки развертки).

а) При заданном  R = 106 Ом установите другие значения емкостей (7-8) значений, например, в пределах до 10-2 мкФ. Определите соответствующие им значения периода (nочные значения емкостей, соответствующих номерам кнопок, возьмите из таблицы 2).

Таблица 2

Емкость С, мкФ

Период Т, мс

Постройте график зависимости периода колебаний при заданном напряжении источника и сопротивлений от емкости. Из него найти усредненное значение произведения, , равное тангенсу угла наклона прямой f(C). Воспользовавшись экспериментально определенным значением Uз из упражнения 1, произведите расчет величины R.

б) При заданном  С = 3 10-3 мкФ установите другие значения сопротивлений (7-8 значений), например, в пределах до 107 Ом, занесите в табл. 3 и определите соответствующие им значения периода (точные значения сопротивлений, соответствующих номерам кнопок, возьмите из таблицы).

                                                                                                         Таблица 3

Сопротивление, Ом

Период Т, мс

Постройте график зависимости периода колебаний при заданном напряжении источника и емкости от сопротивления. Из него найдите усредненное значение произведения  , равное тангенсу угла наклона прямой f(R). Воспользовавшись экспериментально определенным значением Uз из упражнения 1, произведите расчет величины С.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Какой процесс называется релаксационным?

2. Объясните устройство и принцип действия неоновой лампы?

3. Где находят применение релаксационные генераторы?

4. Покажите, что выражение (7) является решением уравнения (6).

5. Объясните принцип измерения больших сопротивлений и емкостей с помощью неоновой лампы.

6. Покажите, как по известным емкости С, сопротивлению и периоду колебаний Т определить средний ток, протекающий через сопротивление (или заряд за секунду).

55


R

U

UЗ

UГ

IЗ

I

н.л.

UН

C

I2

I1

I

          Рис.1.                                                  Рис. 2.

ФПЭ-12

V

R

C

R

QC

mA

mA

н.л.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

22674. Хвильові властивості частинок. Хвилі де Бройля 42 KB
  Хвилі де Бройля. Згідно гіпотези де Бройля для частинки речовини виконується співвідношення: E= =2 p=mV імпульс частинки  довжина хв. де Бройля співвідношення де Бройля.де Бройля що описує вільний рух матеріальної частинки має вид : А амплітуда плоскої монохроматичної хвилі радіус вектор частинки t час.
22675. Рівняння Шредінгера. Інтерпретація хвильової функції 65.5 KB
  В квантовій механіці рівняння Шредінгера відіграє ту ж роль що і рівняння руху Ньютона в класичній механіці і рівняння Максвела в електродинаміці.Розглянемо тримірне хвильове рівняння і застосуємо його до хвиль де Броля. Найбільш важливим частковим випадком рішення хвильового рівняння є рішення виду: 2. Оскільки [потенціальна енергія ] рівняння 3 набуває вигляду стаціонарне рівняння Шреденгера оскільки вважалося що а значить і не залежать від часу.
22676. Співвідношення невизначеності Гейзенберга та приклади його проявів 63.5 KB
  Дві фізичні величини не можуть мати одночасно певні значення в жодному стані якщо їх оператори не комутують. В довільному стані фізичні величини відповідні цим операторам мають середнє значення визначені інтегралами: . З цієї формули випливає що якщо в деякому стані імпульс має певне значення =0 то координата х в цьому стані невизначена зовсім і навпаки. Згідно отриманій нерівності мікрочастинка не може знаходитись у стані строгого спокою який характеризується значеннями .
22677. Енергетичний спектр атома водню. Правила відбору 67 KB
  Сукупність спектральних ліній спектральні серії. Пізніше були досліджені серії в ультрафіолетовій і інфракрасній обл. Перша лінія кожної серії відповідає мінімальному значеню n і має мінімальну частоту. По мірі збільшення n лінії кожної спектральної серії згущуються частота їх зростає.
22678. Хвильові функції. Системи тотожних частинок. Принцип Паули 65.5 KB
  Системи тотожних частинок. Вони тотожні є симетрія: при перестановці місцями частинок не змінюється. Нехай оператор перестановки частинок: ; Т. Для N частинок N парних перестановок; оператор перестановок .
22679. Розподіл Фермі-Дірака і Бозе-Ейнштейна 132 KB
  Бозони частинки з цілим або або нульовим спіном можуть знаходитись в межах даної системи в однаковому стані і в обмеженій кількості. Тоді енергія системи ; число част в му стані. що знаходяться в стані. Нехай номер енергетичного рівня; кратність його виродження число станів на му рівні що мають одне значення енергії тоді ; позначимосереднє число частинок в одному стані.
22680. Фізичне пояснення періодичної системи елементів 41.5 KB
  При заданому n : = 0 sоболонка 1pоболонка 2dоболонка 3fоболонка. S оболонка 2 ; р оболонка 221=6 d оболонка 10 . Якщо оболонка містить максимальну кількість е то вона заповнена ns2 np6 nd10 nf14 Період. іонів n 1 2 3 4 5 оболонка K L M N O макс.
22681. Атоми у зовнішніх полях. Ефект Штарка 507.5 KB
  Ефект Штарка Явище розщеплення в електричному полі енергетичних рівнів і повязане з ним розщеплення спектральних ліній називають ефектом Штарка. Розщеплення рівнів спостерігається як в однорідних так і в неоднорідних електричних полях зі складною просторовою конфігурацією.Наявність електричного поля що змінюється з часом також призводить до розщеплення рівнів енергії.Енергетична віддаль між компонентами розщеплення рівня в однорідному електричному полі росте зі збільшенням його напруженості.
22682. Атоми у зовнішніх полях. Ефект Зеємана 340.5 KB
  Суть: розщеплення спектральних ліній обумовлене взаємодією атомів з магнітним полем. Розщеплення спектральних ліній в магнітному полі є наслідком розщеплення енергетичних рівнів. простий ефект : правила відбору: три лінії:лінія двікомпоненти Складний ефект: розглянемо основний і перший збуджений...