POLITECHNIKA ŚLĄSKA

W GLIWICACH

WYDZIAŁ ELEKTRYCZNY

Kierunek : elektrotechnika.

Studia wieczorowe.

Rok akademicki : 1994/95.

Ćwiczenie nr 5 :

BADANIE DRGAŃ RELAKSACYJNYCH

1. WSTĘP

Drgania relaksacyjne są drganiami samowzbudnymi i charakteryzują się tym , że część energii zgromadzonej w akumulatorze rozprasza się w postaci ciepła. Drgania relaksacyjne mogą zachodzić jedynie w układach nieliniowych. Elektryczne drgania relaksacyjne powstają w obwodach z np. lampą gazowaną , diodą tunelową , diodą Zenera (czyli elementami nieliniowymi).

W badanym układzie wykorzystujemy nieliniową charakterystykę prądowo - napieciową lampy jarzeniowej. Jest to lampa dwuelektrodowa,wypełniona gazem szlachetnym (np.argonem , neonem lub ich mieszaniną) pod niewielkim ciśnieniem. Po przyłożeniu do elektrod napięcia zaczyna płynąć niewielki prąd. Przy odpowiednio dużym natężeniu pola elektrycznego

przyspieszone elektrony zaczynają jonizować cząsteczki gazu. Dodatnie jony przyspieszone polem elektrycznym bombardują powierzchnię katody powodując powstanie nowych elektronów. Elektrony te dążąc do anody jonizują czasteczki gazu. Zachodzi więc proces w którym katoda otrzymuje więcej jonów dodatnich , niż emituje elektronów. Jony te mają małą ruchliwość i wokół katody tworzy się obszar ładunku przestrzennego przyspieszającego elektrony. Dochodzi do wyładowania lawinowego

i przez gaz płynie znaczny prąd. Procesowi jonizacji towarzyszy wzbudzanie atomów gazu i w konsekwencji świecenie katody. Wielkość obszaru świecącego w pobliżu katody zależy od natężenia prądu , a gęstość prądu pozostaje stała. Napięcie niezbędne do zainicjowania wyładowania samoistnego nazywa sie napięciem zapłonu. Wartość napięcia zapłonu zależy od rodzaju gazu wypełniającego lampę i rodzaju materiału katody. Wyładowanie jarzeniowe może być przerwane dopiero po obniżeniu napięcia do tzw. napięcia gaśnięcia , niższego od napięcia zapłonu o kilkanaście woltów.

Ogólny wzór na okres drgań relaksacyjnych ma postać:

gdzie :

U - napięcie zasilania układu,

Uz - napięcie zapłonu almpy ,

Ug - napięcie gaśnięcia lampy.

2. POMIARY I OBLICZENIA

I . Pomiar napięcia zapłonu i gaśnięcia neonówki.

a) łączymy obwód według schematu w instrukcji.

b) zwiększając napięcie zasilające obserwujemy wskazania woltomierza. Maksymalne wskazanie odpowiada napięciu zapłonu. Pomiary powtarzamy trzykrotnie.

c) obniżając napięcie notujemy wskazanie miernika tuż przed gwałtownym spadkiem.

Pomiary powtarzamy pięciokrotnie.

Lp.	Uz [V]	Ug [V]
1	92	75
2	92.2	74.6
3	91.6	74.4
4	91.5	74.5
5	91.8	74.7

d) obliczamy średnie wartości napięcia zapłonu i gaśnięcia neonówki korzystając ze wzoru:

Otrzymujemy: = 91.82 [V]

= 74.64 [V]

e) obliczamy odchylenia standardowe korzystając ze wzoru:

Otrzymujemy: ΔU_z = 0.19 [V]

ΔU_g = 0.14 [V]

II. Badanie zależności okresu drgań od rezystancji

a) łączymy obwód według instrukcji.

b) dla ustalonego napięcia U=123.2 [V] mierzymy okres drgań relaksacyjnych.

c) pomiary wykonujemy dla wartości rezystancji R w granicach od 300 do 1500 [kΩ] zmienianej co 200 [kΩ].

	C = 4 [μF]
R [kΩ]	czas 10 x T [s]	T [s]
300	4.96	0.496
500	7.75	0.775
700	11.07	1.107
900	13.81	1.381
1100	17.09	1.709
1300	19.6	1.96
1500	22.81	2.281

d) rysujemy wykres (część 4 sprawozdania) zależności okresu drgań relaksacyjnych od rezystancji obwodu.

e) metodą regresji liniowej obliczamy nachylenie charakterystyki k (k = a).

a = (13.4 ± 0.9) ⋅ 10^-4

b = (2.2 ± 0.4) ⋅ 10^-1

II. Badanie zależności okresu drgań od pojemności.

a) przy ustalonym napięciu U = 123.5 [V] i rezystancji R = 900 kΩ mierzymy okres drgań relaksacyjnych dla pojemności od 0 do 10 [μF]. Pomiaru dokonujemy stoperem mierząc czas 11 błysków.

	R = 900 [kΩ]
C [μF]	czas 10 x T [s]	T [s]
0	0	0
1	4.71	0.471
1.5	7.28	0.728
2	9.47	0.947
3	9.22	0.922
3.5	11.43	1.143
4	13.94	1.394
5	18.65	1.865
5.5	21	2.1
6	28.6	2.86
7	33.28	3.328
7.5	35.92	3.592
8	37.94	3.794
9	37.62	3.762
9.5	39.81	3.981
10	42.22	4.222

Odrzucamy pomiary dla 3 i 9 [mF] ze względu na prawdopodobne uszkodzenie kondensatora dekadowego (zmaina pojemności o 1 [mF] nie dała zmiany okresu drgań).

b) rysujemy wykres zależności okresu drgań T od pojemności C.

c) metodą regresji liniowej obliczamy nachylenie charakterystyki k (k = a).

a = (4.46 ± 0.23) ⋅ 10^-1

b = (-0.71 ± 0.71) ⋅ 10^-1

IV. Badanie zależności okresu drgań od napięcia.

a) łączymy obód według instrukcji,

b) dla ustalonej pojemności C = 0.5 [mF] i rezystancji R = 900 [kΩ] zmieniamy napięcie zasilające układ pomiarowy od ok.100 [V] co 5 [V] do 130 [V] i mierzymy okres 11 błysków.

	R = 900 [kΩ] , C = 0.5 [mF]
U [V]	czas 10 x T [s]	T [s]
100.1	5.78	0.578
104.8	4.5	0.45
109.6	3.75	0.375
114.8	3.37	0.337
120	3.19	0.319
125.6	2.85	0.285
130.7	2.62	0.262

.

3. WYKRESY

4. WNIOSKI

Poznaliśmy zależności okresu drgań w funkcji zmian pojemności , rezystancji i napięcia. Za pomocą wzoru ogólnego na okres drgań relaksacyjnych i nachylenia charakterystyki , z pewnym przybliżeniem , dla pewnej stałej rezystancji, mierząc okres drgań, można wyznaczyć pojemność niewiadomych kondensatorów.

Analogicznie ten sam wzór pozwala nam obliczyć częstotliwość drgań generatora o przebiegach piłokształtnych przy znanej pojemności i rezystancji.

---