67756

Исследование последовательного колебательного контура (резонанс напряжений)

Лабораторная работа

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

В процессе выполнения работы исследуются и изучаются следующие вопросы: Явление резонанса возникающее в неразветвленной цепи содержащей катушку индуктивности и конденсатор последовательный колебательный контур; Условие возникновения резонанса в цепи и его проверка в лабораторных условиях...

Русский

2014-09-14

374.5 KB

9 чел.

Лабораторная работа № 6

Исследование последовательного колебательного контура (резонанс напряжений)

Краткое содержание работы.

В процессе выполнения работы исследуются и изучаются следующие вопросы:

  1.  Явление резонанса, возникающее в неразветвленной цепи, содержащей катушку индуктивности и конденсатор (последовательный колебательный контур);
  2.  Условие возникновения резонанса в цепи и его проверка в лабораторных условиях;
  3.  Методика измерения резонансных кривых;
  4.  Аналитические соотношения при резонансе и их экспериментальная проверка.

Подготовка к работе.

1. Ознакомиться с рабочим заданием и методическими указаниями. Ответить на  вопросы:

а) что понимают под явлением резонанса и при условиях он возникает?

б) изменением каких параметров можно достичь резонанса в последовательном контуре?

в) почему явление резонанса в последовательном контуре называют резонансом напряжений?

г) какие энергетические процессы происходят в контуре при резонансе?

д) чему равно сопротивление последовательного колебательного контура при резонансе?

е) что называют волновым сопротивлением, добротностью, затуханием резонансного контура и обобщенной расстройкой?

ж) как изменяется полная , активная и реактивная мощность, которую потребляет последовательный колебательный контур при изменении частоты в диапазоне, включающем резонансную частоту?

з) дайте определение, характеризуйте вид и назначение обобщенной резонансной характеристики последовательного резонансного контура.

2. Составить протокол отчета  лабораторной работы в соответствии с вариантом задания.

Рассчитать теоретически резонансные кривые для напряжений на элементах цепи которые будут получены практически в п.3 рабочего задания. Постройте также графические зависимости этих резонансных кривых ( для каждого из случаев а), б), в) – свой совмещенный график).

При теоретических расчетах сначала нужно вычислить резонансную частоту контура, его добротность Q и определить значение полосы пропускания контура 2f  для приведенных схем измерений. Тогда диапазон изменения  частоты f при расчете резонансной кривой будет:

f0-5f  f f0+5f  т. е. частота f будет изменяться в районе f0 с отклонением ( 5f/ f0)*100%. Аналогично рассчитывается, при расчете резонансных кривых, диапазон изменения параметра контура L или C. Так эти параметры будут изменяться в районе значений, приведенных в варианте задания с отклонением:

для L - ; для С - .

Вычисленные в этом пункте изменения параметров должны быть использованы при выполнении рабочего задания.

Рабочее задание

1. Собрать  схему цепи последовательного контура согласно рис.6.1 и соответствии с вариантом задания, приведенным в табл.6.2.

                                I           R                     C

               RВН

      U     L

               e

Рис.6.1

2. Установить значение частоты синусоидального генератора (e) равное  резонансной частоте цепи f0. Выходное напряжение генератора задать 1 В.

3. Моделируя цепь во временной области произвести измерения величин, указанных в таблице 6.1 , для следующих трех случаев:

а) при неизменной емкости  С, в соответствии с вариантом задания, частоте генератора fо, варьируя в возможных пределах индуктивность катушки L;

б) при неизменной индуктивности L, в соответствии с вариантом задания,, частоте генератора fо, варьируя в возможных пределах емкость конденсатора С;

в) при неизменной емкости С, индуктивности L, в соответствии с вариантом задания, изменяя частоту генератора f.

4.. По данным п3 построить построить резонансные кривые  на одном графике  I, UL,UC, для каждого из случаев а),б),в), вычислить добротность контура и его полосу пропускания, сравнить их значения с полученным в п.2 рабочего задания. По данным п.3-в) построить векторные диаграммы напряжения на элементах цепи для случаев: C<C0; C=C0;C>C0 (C0-резонансное значение)

5.Установить внутреннее сопротивление генератора RВН:

  1.   RВН=R;     2) RВН=0,1*R.

и провести измерения величин, указанных в табл. 6.1 для каждого из случаев 1),2) только в зависимости от частоты f, при значениях L,C соответствующих варианту задания.

Таблица 1.1 L=const; f0 = const, Rвн = Rвн      

C

мГн

U

UL

UC

I

мА

φ

P

активн.

Q

реакт

|S|

полн.

Таблица 1.2 C=const, f0 = const, Rвн = Rвн

L

нФ

U

UL

UC

I

мА

φ

P

активн.

Q

реакт.

|S|

полн.

Таблица 1.3 L=const, С = const, Rвн = Rвн

f0

kHz

U

UL

UC

I

мА

φ

P

активн.

Q

реакт.

|S|

полн.

Таблица 2.1 C=const, L = const, Rвн = 0.1*R

f0

kHz

U

UL

UC

I

φ

P

активн.

Q

реакт.

|S|

полн.

Таблица 2.2 C=const, L = const, Rвн = R

f0

kHz

U

UL

UC

I

φ

P

активн.

Q

реакт.

|S|

полн.

6. По данным п.5 построить резонансные кривые, наложив их на имеющиеся графики, построенные по п.4. Определить условие согласования на переменном токе и объяснить полученный результат теоретически.

7. Сделать выводы и обобщения по проделанной работе.

Методические указания

Резонансными или колебательными цепями называются электрические цепи, в которых могут возникать явления резонанса напряжений или токов.

При воздействии гармонического тока или напряжения  на пассивную электрическую цепь, которая  содержит резисторы катушки индуктивности и конденсаторы, наблюдается режим, при котором ее входное реактивное сопротивление  равно  нулю. Такой режим  называется резонансом. Для этого режима характерно то, что реактивная мощность на входных зажимах цепи оказывается равной нулю и вся электрическая энергия, поступающая в цепь от источника, преобразуется в теплоту.

Резонанс напряжений наблюдается в электрической цепи  с  последовательным  соединением  участков, содержащих индуктивности и емкости. Неразветвленная цепь, состоящая  из  последовательно соединенных элементов R, С и L (рис.6.2), представляет собой один из простейших   случаев   такой   цепи.   Ее   называют последовательным колебательным контуром.

Рис.6.2

Если в цепи течет синусоидальный ток i=Imsint, то мгновенные напряжения на элементах цепи можно определить:   UR=RImsint;     UL=Ldi/dt=LImsin(t+/2)=XL Imsin(t+/2);      

                              UC=1/C=Imsin(t-/2)=XCImsin(t-/2).

Значение мгновенного напряжения на элементах цепи:

U=UR+UL+UC= RImsint+(XL-XC) RImcost= Imsin(t+);

где: =arctg() – угол сдвига фазы между током и напряжением в цепи.

Активная  P , Реактивная S , полная Q , мощности, которые потребляются цепью, могут быть

определены: P=UIcos=I2R; Q= UIsin=I2(XL-XC); S=UI==I2

Где U=Um /; I=Im / – действую                               щие амплитуды токов и напряжений на внешних выводах цепи.

Условие резонанса для такой цепи: XВХ=L-1/C=0.

Резонанс может быть получен путем изменения одной из трех переменных , L, C,  при неизменных двух остальных, значения которых для цепи при резонансе должны удовлетворять соотношению: 0=1/. Где 0=2f0 – круговая резонансная частота, L0, C0 – номинальные значения элементов цепи при резонансе.

Полное сопротивление цепи при резонансе напряжений: Z= =R – минимально и равно активному сопротивлению. При этом ток и потребляемая активная мощность достигают наибольших значений.

Если реактивные сопротивления XL=L и  XC=1/C при резонансе превышают по величине сопротивление R, то напряжение на зажимах катушки и конденсатора также больше входного напряжения генератора. Поэтому резонанс в последовательном контуре называется резонансом напряжений. Превышение напряжений имеет место, если R<0L=1/0C==.

Здесь имеет размерность сопротивления, численно равняется сопротивлению реактивного элемента при резонансе и носит название волнового сопротивления контура.

Отношение Q=UC0/U=UL0/U=I00L0/I0R=0L0/R=/R – определяет кратность превышения напряжения на катушке индуктивности и конденсаторе над напряжением входного генератора и называется добротностью контура.

Величина, обратная добротности, называется затуханием:    =1/Q.

Зависимости    величин (R ,Xi.,Xc, Zвх) от частоты, характеризующих поведение цепи при изменении частоты входного сигнала - называют частотными характеристиками, а  зависимости действующих значений тока и напряжений  (или их отношений)  на элементах от  частоты - резонансными кривыми.    На   рис.6.З   изображены   частотные характеристики последовательного контура, построенные в соответствии с выражениями:

        

 

                                                                                           Рис.6.3

В теории контуров вводится понятие другой частотной переменной . При резонансе , поэтому эту частотную переменную называют обобщенной частотной расстройкой контура. При использовании обобщенной частотной расстройки контура  строятся нормированные резонансные кривые  (нормированные значения тока или напряжения на элементе цепи по отношению к его значению при резонансе). Например:

- выражение для комплексного входного сопротивления последовательного контура:

-выражение для нормированной резонансной кривой напряжения на реактивном элементе контура:

где: Um0 –амплитудное значение напряжение на реактивном элементе при резонансе..

Представляет технический интерес условие согласования на переменном токе, когда от генератора передается активная максимальная мощность в электрическую цепь (в данном случае резонансный контур). В соответствии с рис.6.4 для комплексных амплитуд тока и напряжения на нагрузке:       

                                                                                            

;  .                                              

             

         е             

               

            Рис.6.4

Полная мощность: =

Активная мощность: P=.

Для нашей цепи : RГ+RН= RВН+R,    XГ+XН=(L-1/C).

Тогда условие передачи максимальной мощности в резонансную цепь: (L-1/C)=0, RВН=R, при этом условии полного согласования получим мощность в цепи: .

Таблица 6.2                           Варианты заданий.

Вариант

R     Ом    

C   нФ

L   мкГн

RВН       Ом

6

0.8

250

1000

0.3

Расчёты

1.Расчёт резонансной частоты f0:

f0= 1/ (2*3,1459 *(LC)0,5 ) = 10070 Гц

2.Расчёт полосы пропускания и добротности для f0:


3.Расчёт отклонения
:

Для L:  

         Для C:

:

Для f0:

f1=f0-5f                   f2= f0+5f  

f1 =  9 195 Гц f2 =  10 945 Гц

        4. Расчет добротности и полосы пропускания для каждого случая:

       

При изменении С:

При изменении L:

5. Расчёт остальных параметров:

При изменяющемся С:

При изменяющемся L:

При изменении частоты:

Для таблицы 2.1 :

Для таблицы 2.2:

Графики

К таблице 1.3:

К таблице 2.1:

 

 


К таблице 2.2:


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

13430. ОБСЛУГОВУВАННЯ ДИСКІВ ПК ЗА ДОПОМОГОЮ СЛУЖБОВИХ ДОДАТКІВ 437 KB
  ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 7 ОБСЛУГОВУВАННЯ ДИСКІВ ПК ЗА ДОПОМОГОЮ СЛУЖБОВИХ ДОДАТКІВ 1. Мета роботи Навчитися виконувати обслуговування дисків за допомогою службових додатків ОС Windows 2000. 2. Задачі роботи Придбати практичні навички роботи із службовими дода...
13431. ФОРМУВАННЯ ТАБЛИЦЬ В ТАБЛИЧНОМУ ПРОЦЕССОРІ MICROSOFT EXCEL 1.81 MB
  МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ ДО ЛАБОРАТОРНОЇ РОБОТИ №1 ФОРМУВАННЯ ТАБЛИЦЬ В ТАБЛИЧНОМУ ПРОЦЕССОРІ MICROSOFT EXCEL 1. Мета заняття Оволодіти практичними навичками роботи в процесі формування електронних таблиць ЕТ та здійснення в них розрахунків. 2. Завдання роботи Оволо...
13432. ПОВЯЗУВАННЯ ТАБЛИЦЬ MICROSOFT EXCEL 494 KB
  МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ ДО ЛАБОРАТОРНОЇ РОБОТИ №2 ПОВЯЗУВАННЯ ТАБЛИЦЬ MICROSOFT EXCEL 1. Мета заняття Навчитись працювати і придбати практичні навички роботи з декількома пов'язаними таблицями. 2. Завдання роботи Оволодіти прийомами пов'язування електронних таблиц
13433. ВБУДОВАНІ ФУНКЦІЇ MS EXCEL та ОФОРМЛЕННЯ РОБОЧИХ АРКУШІВ 180 KB
  МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ ДО ЛАБОРАТОРНОЇ РОБОТИ №3 ВБУДОВАНІ ФУНКЦІЇ MS EXCEL та ОФОРМЛЕННЯ РОБОЧИХ АРКУШІВ 1. Мета та завдання роботи Придбання навичок роботи з вбудованими функціями Microsoft Excel та оволодіння можливостями оформлення робочих аркушів. 2. Зміст робот
13434. СПОСОБИ ОФОРМЛЕННЯ ДІАГРАМ 350 KB
  МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ ДО ЛАБОРАТОРНОЇ РОБОТИ №4 СПОСОБИ ОФОРМЛЕННЯ ДІАГРАМ 1. Мета роботи Метою даної роботи є отримання практичних навичок при побудові редагуванні і оформленні діаграм в табличному процесорі Microsoft Excel. 2. Зміст роботи 2.1 Завантажити оболонку ...
13435. УПРАВЛІННЯ ДАННИМИ В MICROSOFT EXCEL 130.5 KB
  МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ ДО ЛАБОРАТОРНОЇ РОБОТИ № 5 УПРАВЛІННЯ ДАННИМИ В MICROSOFT EXCEL 1. Мета заняття Оволодіти навичками роботи з базами даних в Microsoft Excel. 2. Завдання роботи Навчитись: 2.1. Створювати бази даних. 2.2. Створювати форми даних і працювати в них із запи...
13436. СТВОРЕННЯ ЗВЕДЕННИХ ТАБЛИЦЬ В MICROSOFT EXCEL 354.5 KB
  МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ ДО ЛАБОРАТОРНОЇ РОБОТИ №6 СТВОРЕННЯ ЗВЕДЕННИХ ТАБЛИЦЬ В MICROSOFT EXCEL 1. Мета роботи Придбати практичні навички по створенню і використанню зведених таблиць в Microsoft Excel. 2. Задачі роботи Опанувати прийоми формування редагування зміни та
13437. Опрацювання результатів прямих багаторазових вимірювань 238 KB
  ЛАБОРАТОРНА РОБОТА 1 ОПРАЦЮВАННЯ РЕЗУЛЬТАТІВ ПРЯМИХ БАГАТОРАЗОВИХ ВИМІРЮВАНЬ Мета роботи: вивчити методику опрацювання результатів прямих багаторазових вимірювань; навчитись визначати характеристики похибки результату вимірювання в залежності від кількості в...
13438. Повірка чи калібрування приладів прямої дії 102.5 KB
  Лабораторна робота 2 Повірка чи калібрування приладів прямої дії Мета роботи: вивчити теоретичні та практичні основи повірки чи калібрування приладів прямої дії на прикладі калібрування амперметра та вольтметра зіставленням їх показів із показами робочих еталонів.