מהלך ניסוי מעגלים בזרם חילופין

מתוך מעבדת מבוא בחשמל
קפיצה אל: ניווט, חיפוש

הערה חשובה: נא לבדוק בתוכנית העבודה של הקורס אם אתם אמורים לעשות ניסוי זה השבוע כיוון שהחל מניסוי 2 (בעמוד זה) - הניסויים אינם מתבצעים לפי הסדר.

1 מטרת הניסוי

  • בדיקת ההיענות לתדירות של מעגלים חשמליים כשהם מוזנים ממקור מתח חילופין סינוסי.
  • הכרת מספר מעגלים שימושיים:
    1. מעגלי RC המשמשים כמסננים
    2. מעגל משנה זווית מופע
    3. מעגל תהודה טורי

2 ציוד לניסוי

2.1 מכשור בעמדה

2.2 ציוד מהמחסן

בנוסף:

  • שני נגדים זהים, בגדלים 500Ω או 1kΩ.
  • דקדת סלילים או קופסת מתכת המכילה סליל וקבל: C=8.3nF , L=84mH
  • או ערכת ניסוי 2

3 מהלך הניסוי

הערות:

  • לפני תחילת כל ניסוי מידדו בעזרת הרמ"ס את ערכי הנגדים והקבלים לאימות ערכיהם.
  • בטרם ביצוע מדידות ומילוי טבלאות ארוכות, וודאו כי אתם יודעים כיצד התוצאות אמורות להיראות עפ"י התאוריה. במידה והמדידות הראשונות אינן תואמות את המגמות התאורטיות, יש להבין מהיכן נובעות השגיאות במדידה ולתקן את הבעיות בטרם ביצוע מדידות נוספות.
  • לצורך ייעול העבודה ככל האפשר, קראו את כל הסעיף בטרם אתם מתחילים בביצוע המדידות.
  • זכרו כי המדידות אשר משקף התנודות יכול להציג בעזרת שימוש ב- measurments נמדדות ביחס לאותות המוצגים במסך שלו. במידה והאותות לא מוצגים בצורה מלאה וברורה במסך, המדידות יהיו שגויות גם כן. לפיכך הקפידו לאורך כל הניסוי שבכל מדידה אשר אתם מבצעים בסקופ. האותות מוצגים באופן ברור ומלא.
  • בכל חלק בו נדרשת חתימת מדריך, יש לבצע צילום של התוצאות ממשקף התנודות ולצרף לדו"ח המסכם. בדו"ח המסכם יש להתייחס להתאמת התוצאות לתאוריה באופן מספיק ברור.

3.1 מעגל RC טורי

איור 1: מעגל RC - מסנן מעביר נמוכים (LPF) עם כניסת זרם-חילופין

הרכיבו את המעגל המתואר באיור 1. חברו את המעגל למחולל אותות. כוונו את תפוקת המחולל ל5VP-P. וודאו שהמתח לא ישתנה במשך הניסוי. קבעו את חיבור האדמה במעגל כך שתוכלו לראות במשקף התנודות את מתח הקבל ומתח הנגד בו-זמנית. בערוץ X הציגו את מתח מחולל אותות, בערוץ Y הציגו את מתח הקבל. בצעו שימוש בפונקציית Math במשקף התנודות, על מנת לחסר בין Y ל- X ובעזרת כך הציגו את מתח הנגד.

הערה חשובה: זכרו כי, במשקף התנודות אדמות ערוצי X ו- Y מקוצרות אחת לשנייה ולאדמת ערוץ הסנכרון. כך שבעת חיבור אדמת מדידה של אחד מהערוצים הללו, אתם קובעים את המדידות של שלושתם. חיבור של אדמות אלו בנקודות שונות במעגל מייצרות קצר.

  1. בצעו חישוב אנליטי של תדרי-הברך (f1,f2) של המעגלים עבור שני קבועי זמן τ1,2=R1,2C שונים: את חישוב זה הייתם אמורים לבצע בשאלת הכנה 1.1
    • C=0.1μF, R1=2500Ω
    • C=0.1μF, R2=500Ω
  2. כעת בצעו בחינה מעשית, הזינו במחולל האותות את התדרים התיאורטיים, האם התדרים התאורטיים אשר חישבתם, תואמים להתנהגות המעשית של המעגל. הציגו למדריך את תדרי הברך המעשיים במשקף התנודות, והוכיחו כי אלו אכן התדרים (באמצעות האמליטודות והפאזות של הנגד והקבל) במידה והתוצאות אינן תואמות את התאוריה, חִשְׁבוּ מדוע והסבירו.
  3. SignHere.png
  4. עבור כל אחד משני קבועי הזמן להם מצאתם את תדרי-הברך (f1,f2) המעשיים, בצעו מדידות של המתח (Peak to Peak) על פני הקבל (c) ועל פני הנגד (r) עפ"י הטבלאות הבאות: (#GN הינו מספר הקבוצה) בדו"ח המסכם הציגו צילום של לפחות 6 תדרים ( 3 מתחת לתדר הברך ו3 מעליו) הציגו את הגרפים של האופיינים המתקבלים והסבירו בהרחבה האם התוצאות תואמות לתאוריה
  5. f[Hz] 50+#GN f1-400 f1-300 f1-200 f1-100     f1[R1=2500]     f1+100 f1+1000 f1+2000 f1+3000 5000-#GN
    Vcp-p[V]
    Vrp-p[V]
    f[Hz] 50+#GN f2-2500 f2-1500 f2-700 f2-100      f2[R2=500]     f2+100 f2+700 f2+1500 f2+2500 6000-#GN
    Vcp-p[V]
    Vrp-p[V]
    SignHere.png
  6. עבור אחד מקבועי הזמן (לפי בחירתכם בשאלת הכנה 1.1), בצעו מדידה של הפרש-הפאזה בין מתח-הנגד למתח-המקור ובין מתח-הקבל למתח-המקור בשלושה תדרים: נמוך מתדר-הברך, גבוה מתדר-הברך ובתדר-הברך (הכל ביחס למעשי). השתמשו בתדרים מהסעיף הקודם, כך שתוכלו להציג גם את האמפליטודות, הציגו למדריך שלוש דיאגרמות פאזוריות. צרפו את התוצאות לדו"ח והסבירו ביחס לתאוריה.
  7. SignHere.png

3.2 מעגל מזיז מופע

איור 2: מערך ליצירת הפרש-מופע. (מאחר ואנו לא מבצעים שימוש בסנכרון חיצוני אין צורך להתחבר דרך שנאי בידוד)

בעזרת שימוש בערכת המעבדה, הרכיבו את המעגל המתואר ב איור 2 (אין צורך להתחבר דרך שנאי הבידוד). כוונו את מחולל האותות למתח-מוצא של 5VP-P ולתדירות של 1kHz. חברו את משקף התנודות למדידת מתח-המוצא VOUT בערוץ Y ואת VR1 בערוץ X. קבעו את אדמת המדידות(X ו Y) במעגל בצומת שבין R2-R1 (הנקודה Z באיור). שימו לב שאדמת מחולל האותות לא באותו המקום כמו אדמות המדידות. עבור R השתמשו בדקדת נגדים, שנו את R כך שתתקבלנה הפאזות בטבלה שלהלן (הסתייעו במדידות באמצעות משקף התנודות) ובהתאם מלאו אותה,(שימו לב שלא ניתן למדוד את ערכי הנגד באמצעות הרמ"ס כאשר המעגל מחובר, מאחר והוא מזרים זרם נוסף אשר ישפיע על המעגל. במידה ורוצים למדוד את הנגד באופן מדוייק, יש לנתק את ההדקים המחוברים למעגל) בנוסף הציגו בדו"ח המסכם את זווית-המופע בין שני המתחים בעזרת עקומי ליסאז'ו ובצעו את החישוב לזוויות. (העבירו את הסקופ למצב X-Y ורשמו את מצב הבוררים).

Phase Difference[deg]    -300       -600       -900       -1200       -1500       -1800   
R[ohm]
Vout[V]
VR1[V]
SignHere.png


3.3 מעגל RLC מעביר פס

איור 3: מעגל RLC מעביר פס עם הנחתת מתח (BPF)
איור 4: מעגל RLC מעביר פס עם העלאת מתח (BPF)

3.3.1 סריקת תדרים

בדיקת תגובת אמפליטודה של מעגלים המתוארים באיור 3 ובאיור 4 באמצעות סריקת תדרים:

בעזרת שימוש בערכת המעבדה חברו את המעגל המתואר באיור 3. עבור הנגד השתמשו בדקדת נגדים ולא בנגד הערכה.

עשו שימוש במחולל אותות כסורק-תדרים לקבלת תגובת-אמפליטודה (הקפידו לבצע סנכרון חיצוני ולוודא כי משקף התנודות מסונכרן).

הסריקה תחל בתדר 100Hz ותסתיים בתדר 100KHz בקפיצות לוגריתמיות וזמן סריקה של שנייה אחת.

הציגו בסקופ את אות הכניסה ואות המוצא.

סקאלת הזמן לכל ריבוע בציר x על משקף התנודות צריכה להראות 100 מילי שניות כך שכפול 10 ריבועים תוצג בסקופ בדיוק שנייה אחת (סריקה שלמה).

הקפידו כי סקאלות המתח (גובה של כל קובייה) של מדידות X ו Y יהיו זהות במשקף התנודות, כך ששני האותות יוצגו בגודל המקסימלי אך ללא קטיעה.

לאחר קבלת תגובת-אמפליטודה על משקף התנודות שנו את ערכו של הנגד R שלוש פעמים (ערכים : GN+400, GN+4000, GN+10400) ובחנו את השפעת השינוי.

עבור כל ערך הסבירו למדריך ובדו"ח, על איזה פרמטרים של המסנן משפיע ערך הנגד. שמרו את התוצאות, רשמו את ערכי הנגד.

חזרו על המדידה עבור המעגל השני איור 4 שימו לב כי יש להחליף את הקבל בנגד, אין צורך לנתק את כל המעגל, אלא רק להחליף את מיקומי הרכיבים.

SignHere.png

3.3.2 הפרש מופע ושינוי מתח מוצא

הרכיבו את המעגל המתואר באיור 3 קבעו את ערך הנגד ל GN+1400 הקפידו לשמור על מתח-כניסה קבוע של 5VP-P.

  • בעזרת החישוב האנליטי שביצעתם בשאלת הכנה 1.4 ומכשירי המדידה מצאו והציגו למדריך את תדר התהודה התיאורטי והמעשי (בעזרת אמליטודה ופאזה) , f0, הסבירו למדריך ובדו"ח האם הם תואמים, במידה ולא הסבירו מדוע.
SignHere.png
  • מהו הביטוי האנליטי עבור רוחב הפס של המסנן? בצעו שימוש בערכו של רוחב הפס על מנת להציג את תדרי הברך התיאורטיים והמעשיים (התחתון והעליון) של המסנן. בדומה לסעיף הקודםץ
SignHere.png
  • כעת בצעו 4 מדידות נוספות. 2 בתוך רוחב הפס ו 2 מחוצה לו, סימטריות ביחס לתדר התהודה. הציגו למדריך ובדו"ח את מתח היציאה ואת הפרש-הפאזה בין VOUT ל-VIN כפונקציה של התדירות. טבלה ותמונות ממשקף התנודות.
SignHere.png
  • בדו"ח המסכם הציגו את אופיין המסנן והסבירו האם התוצאות תואמות לתאוריה.

4 דו"ח מסכם

על הדו"ח המסכם להיות בנוי בהתאם למהלך הניסוי. חזרו וקיראו את הנחיות כתיבת הדו"ח.

  1. הציגו רקע עיוני קצר בתחילת הדו"ח המסכם. בתחילת כל סעיף תוצג רשימת ערכי הרכיבים במעגל, ויוצג תרשים המעגל. יש לציין את יחידות המדידה של המתחים והזרמים.
  2. ערכו בצורה מסודרת את תוצאות-המדידות. השוו את הגרפים שקיבלתם לאלו שחושבו בשאלת ההכנה.
  3. נתחו את התוצאות בהרחבה והשוו אותן לתוצאות שקיבלתם מתוך החישובים התיאורטיים בדו"ח המכין.
  4. הסבירו מהם מקורות השמות 'מעגל מעביר גבוהים' ו-'מעגל מעביר נמוכים'. כיצד ניתן לדעתכם להרכיב מעגל מעביר-פס ממעגלים אלה? בכל מקרה בו התוצאות המדודות אינן תואמות את הערכים המחושבים ציינו זאת ונסו להסביר את הגורם לחוסר ההתאמה.