מהלך ניסוי תופעות מעבר

מתוך מעבדת מבוא בחשמל
קפיצה אל: ניווט, חיפוש

1 מטרת הניסוי

  • הכרת תופעות מעבר במעגלים ליניאריים המוזנים ממקור מתח ישר וסינוסי ומכילים את האלמנטים:
רכיב שם לועזי סימון סימון יחידות שם היחידות
קבל Capacitor C F פאראד
משרן/סליל Inductor L - מלשון היינריך לנץ H הנרי, לא על-שמו של היינריך אלא ע"ש ג'וזף הנרי
נגד Resistor R Ω - האות אומגה אוהם

2 ציוד לניסוי

2.1 מיכשור בעמדה

2.2 ציוד מהמחסן

3 מהלך הניסוי

3.1 מעגל RC - מסנן מעביר נמוכים

איור 1: מעגל RC טורי מסוג LPF עם מקור אות ריבועי
איור 2: תגובת מעבר של LPF
איור 3: מציאת קבוע זמן של LPF בטעינת-קבל
איור 4: מציאת קבוע זמן של LPF בפריקת-הקבל
איור 5: תגובת מעבר של LPF עם נגד נוסף
איור 6: מציאת קבוע זמן של LPF בטעינת-קבל עם נגד במקביל
איור 7: מציאת קבוע זמן של LPF בפריקת-קבל עם נגד במקביל
איור 8: סריקת תדרים ליניארית של מעגל LPF. תדר התחלתי קרוב לאפס, תדר סופי 1kHz, זמן סריקה שנייה, זמן תצוגה 2 שניות.
איור 9: סריקת תדרים ליניארית של מעגל LPF עם מתמטיקה אשר מראה גם את מתח הנגד
איור 10: סריקת תדרים לוגריתמית של מעגל LPF עם מתמטיקה אשר מראה גם את מתח הנגד

3.1.1 מדידת קבוע זמן

  1. חברו את המעגל באיור 1 למחולל.
    • את ערוץ X (הצהוב) חברו לכניסה - מקור-המתח (המחולל).
    • את ערוץ Y (הירוק) חברו למוצא - הקבל.
  2. כוונו את דקאדת הנגדים לערך של 10kΩ
  3. כוונו את דקדת הקבלים לערך של 0.1μF
  4. כוונו את תדירות הגל הריבועי כך שניתן יהיה להבחין היטב בכל תופעת המעבר:
    • קבוע-הזמן של המעגל הוא τ=RC=1mS
    • זמן מחזור T בגודל של פי 10 מקבוע-הזמן יאפשר להבחין בתופעות המעבר.
    • כלומר T=10mS או לחלופין f=100Hz
  5. מידדו את תופעת המעבר במוצא (על הקבל) ביחס למקור (המחולל) בעזרת הסקופ:
    • הציגו את מתח-המקור בערוץ 1
    • הציגו את מתח-המוצא (הקבל) בערוץ 2
  6. מידדו את קבוע הזמן לפי צורת הגל:
    • ליחצו על כפתור Cursors במשקף תנודות.
    • בעזרת גלגלת Cursors כוונו את הצירים האנכיים.
    • בנקודת האפס האנכית לשים את Y1
    • בנקודת המקסימום האנכית לשים את Y2
  7. תתקבל תמונה דומה לאיור 2.
  8. לשמור את התמונה של המתח-המירבי אשר אמור להיות זהה לערך אשר כיוונתם במחולל אותות.
  9. חשבו את המתח של קבוע-זמן אחד, באחת מהדרכים הבאות:
    • לפי טעינת הקבל:
      1. המתח לאחר קבוע-זמן אחד הוא [math]\,\!V_C(t) = V\left(1 - e^{-t/\tau}\right)=V\left(1 - e^{-1}\right)\approx 0.632V[/math]
      2. הזיזו בעזרת גלגלת Cursors את Y2 לערך זה.
      3. הזיזו את סַמָּן X1 לתחילת העלייה.
      4. הזיזו את סַמָּן X2 לנקודת החיתוך עם Y2.
      5. תתקבל תמונה דומה לאיור 3.
      6. רישמו את קבוע הזמן: τ=ΔX
    • לפי פריקת הקבל:
      1. המתח לאחר קבוע זמן אחד הוא [math]V_C(t)=V_{C}(0) e^{-\frac{t}{\tau}}=V e^{-1}\approx 0.368V[/math]
      2. הזיזו בעזרת גלגלת Cursors את Y2 לערך זה.
      3. הזיזו את סַמָּן X1 לתחילת הירידה.
      4. הזיזו את סַמָּן X2 לנקודת החיתוך עם Y2.
      5. תתקבל תמונה דומה לאיור 4.
      6. רישמו את קבוע הזמן: τ=ΔX
  10. לשמור את התמונה.

3.1.2 מדידת קבוע זמן נוסף

  1. חברו נגד נוסף (דקאדה) של 10KΩ במקביל אל הקבל אשר באיור 1.
  2. מידדו את קבוע הזמן החדש ואת מתח הקבל במצב היציב (כאשר מסתיימת תופעת המעבר) בהתאם לסעיף הקודם.
  3. הפעם נקבל אופיינים דומים לאיורים הבאים:
    • מתח מירבי בדומה לאיור 5, רואים שהמתח ירד פי 2 כיוון שיש מחלק מתח בין שני הנגדים השווים.
    • עבור מדידת קבוע-הזמן, שוב יש שתי דרכים ומספיק לבחור אחת מהן:
      1. טעינת הקבל בדומה לאיור 6.
      2. פריקת הקבל בדומה לאיור 7.
  4. לשמור את התמונות.

3.1.3 מדידת קבוע זמן בציר התדר

  1. נתקו את הנגד הנוסף, כך שהמעגל ייראה בדיוק כמו באיור 1.
  2. הפעילו סריקת התדרים במחולל אותות:
    • סריקה ליניארית (או לוגריתמית).
    • תדר התחלתי 0 הרץ, המחולל ייקפוץ ויכוון אוטומטית את התדר ל-1μHz שזהו התדר המינימלי שלו (1 הרץ בלוגריתמי).
    • תדר סופי של 1kHz (בלוגריתמי 10kHz).
    • זמן סריקה שנייה אחת.
  3. סנכרנו את המחולל אותות עם המשקף תנודות כדי שהתמונה תתייצב על המסך.
  4. כוונו את הסמן Y1 לנקודת האפס של הציר האנכי כפי שרואים באיור 8 או באיור 9.
  5. כוונו את הסמן X1 לתחילת הסריקה על מסך המשקף תנודות כפי שרואים באיור 8 או באיור 9.

עכשיו יש שתי דרכים למצוא את תדר-הברך:

3.1.3.1 מציאת תדר-ברך באמצעות חישוב

  1. כוונו את הסמן Y2 לנקודת מחצית ההספק שהיא המתח המירבי חלקי שורש 2.
  2. כוונו את הסמן X2 לנקודת החיתוך עם Y2.
  3. תתקבל תמונה בדומה לאיור 8.

3.1.3.2 מציאת תדר-ברך באמצעות חיתוך גרפים

  1. לחצו על כפתור Math.
  2. לחצו על הכפתור הרך Operator וסמנו פעולת מינוס.
  3. וודאו שהמקור הראשון (Source 1) מכוון על ערוץ 1 - הכניסה.
  4. וודאו שהמקור השני (Source 2) מכוון על ערוץ 2 - המוצא (הקבל במקרה של LPF).
  5. ובתצוגה נראה גרף וורוד המייצג את ההפרש בין הכניסה והמוצא, כלומר הגרף הוורוד מייצג את מתח הנגד (במקרה של LPF) כפי שרואים באיור 9 של הסריקה הליניארית או באיור 10 של הסריקה הלוגריתמית.
  6. כוונו את הסמן Y2 לנקודת ההצטלבות בין מתח-הנגד ומתח-הקבל שזוהי למעשה נקודת מחצית ההספק שהיא המתח המירבי חלקי שורש 2.
  7. כוונו את הסמן X2 לנקודת החיתוך עם Y2 שזוהי הנקודה המצביעה על תדר-הברך.

הערות

  1. בסריקה ליניארית (0 הרץ עד 1 קילוהרץ למשך שנייה אחת) הערך של ΔX מייצג את תדר-הברך (fC) בהרצים (למרות שיש יחידות זמן).
  2. בסריקה לוגריתמית (1 הרץ עד 10 קילוהרץ למשך שנייה אחת) הערך של 10,000 בחזקת ΔX מייצג את תדר-הברך (fC) בהרצים.
  3. הנוסחא לחישוב תדר-הברך:
    [math]\omega=\frac{1}{\tau}[/math]
    נקבל:
    [math]2\pi f_C=\frac{1}{\tau}[/math]
    ונשלוף משם את קבוע הזמן:
    [math]\tau=\frac{1}{2\pi f_C}[/math]
  4. לשמור את התמונה.


3.2 מעגל RC - מסנן מעביר גבוהים

איור 11: מעגל RC טורי מסוג HPF עם מקור אות ריבועי
איור 12: מתח מירבי במעגל HPF
איור 13: מדידת קבוע זמן של HPF בפריקת הקבל
איור 14: מדידת קבוע זמן של HPF בטעינת הקבל
איור 15: מדידת קבוע זמן של HPF בפריקת קבל עם נגד במקביל
איור 16: מדידת קבוע זמן של HPF בטעינת קבל עם נגד במקביל
איור 17: מדידת קבוע זמן במעגל HPF באמצעות סריקת תדרים. תדר התחלתי קרוב לאפס, תדר סופי 1kHz, זמן סריקה שנייה, זמן תצוגה 2 שניות.
  1. הרכיבו את המעגל באיור 11, כלומר בסך-הכל להפוך את מיקום הנגד והקבל כך שהפעם הנגד יהיה במוצא.
  2. נא לשים לב שאם הקבל בכניסה זה אומר שהמעגל חוסם DC (תדר אפס) ולכן זה חייב להיות מעגל HPF כיוון שהוא חוסם תדרים נמוכים.
  3. חיזרו על הסעיף הקודם כאשר הפעם מתח המוצא הוא המתח על הנגד:
    • מדידת המתח המירבי אמורה להיות דומה לאיור 12.
    • מדידת קבוע-הזמן בעת פריקת הקבל כפי שרואים באיור 13.
    • מדידת קבוע-הזמן בעת טעינת הקבל כפי שרואים באיור 14.
    • מדידת קבוע-הזמן בעת פריקת קבל במקביל לנגד נוסף בדומה לאיור 15.
    • מדידת קבוע-הזמן בעת טעינת קבל במקביל לנגד נוסף בדומה לאיור 16.
    • מדידת קבוע-הזמן באמצעות סריקת התדרים במחולל אותות כפי שרואים באיור 17.

3.2.1 דרישות בדו"ח המסכם

  1. שרטטו את צורת המתח על פני הקבל ועל פני הנגד לפי המחושב ולפי המדידה.
  2. שרטטו את תגובת התדר (אמפליטודה בלבד) ומיצאו מהם קבועי-הזמן של המעגל.
  3. השוו בין שלושת הערכים שקבלתם לקבוע הזמן:
    • מתגובה למדרגה.
    • מתגובה לתדר.
    • וממכפלת RC (חישוב תיאורטי).


3.3 מעגל RL

איור 18: מעגל RL טורי עם נגד 10KΩ ומשרן 10H
  1. חברו מעגל RL טורי (איור 18) למחולל (גל-ריבועי) כאשר L=10H, R=10KΩ.
  2. העתיקו את צורת המתחים על פני כל אחד מרכיבי המעגל ממסך המשקף תנודות.
  3. מידדו את קבוע-הזמן לפי צורת הגלים.
  4. מידדו את תגובת התדר (אמפליטודה בלבד) של הסליל והנגד (כניסה סינוסית).

3.3.1 דרישות בדו"ח המסכם

כמו בסעיף הקודם אך על הסליל והנגד.

3.4 מעגל RLC

איור 19: מעגל RLC מקבילי

המעגל לחלק זה של הניסוי יהיה מסנן מעביר נמוכים.

  1. חברו את המסנן למחולל (גל-ריבועי) כמתואר באיור 19, התדירות צריכה להיות נמוכה במידה מספקת כך שתופעת המעבר תראה היטב. קיבעו:
    [math]R=\frac{1}{2}\sqrt{\frac{L}{C}}[/math]
  2. קבלו על מסך המשקף תנודות את צורת מתח הכניסה והיציאה והעתיקו אותם.
    בידקו אם המתח במצב המתמיד ביציאת המסנן שווה למתח הכניסה המתאים.
  3. שנו את R בהתאם לערכים הבאים, זהו את כל מצבי הריסון והעתיקו את הצורה המתקבלת בכל מקרה:
    • [math]R=0.1\sqrt{\frac{L}{C}}[/math]
    • [math]R=10\sqrt{\frac{L}{C}}[/math]
    • [math]R=2\sqrt{\frac{L}{C}}[/math]
  4. מידדו את קבוע המעגל α (מקדם-ריסון או מקדם-דעיכה) עבור מקרה של תת-ריסון (תנודתי), וחשבו מתוך המדידה את Q (גורם הטיב) ו-ω0 (תדר-התהודה הזוויתי).
  5. מידדו את תגובת התדר (אמפליטודה בלבד) של המעגל, עבור כל אחד מארבעת ערכי הנגדים (גל סינוסי). מידדו f0, f1, f2 במקרה של תת-ריסון (תנודתי), וחשבו את קבועי המעגל: ω0, α, Q.

3.4.1 דרישות בדו"ח המסכם

  1. צרפו את העתקי מתח המוצא עבור כל אחד מארבעת הנגדים שבחנתם.
  2. סכמו את השפעת R על התגובה למדרגה של מעגל זה.
  3. שרטטו את התגובות לתדר (אמפליטודה בלבד) עבור ארבעת המקרים.
  4. השוו בין הקבועים שקיבלתם מהתגובה למדרגה, מהתגובה לתדר ומהחישוב התיאורטי.