ΗΥ-121: Ηλεκτρικά Κυκλώματα
Άνοιξη 2010 |
Τμ. Επ. Υπολογιστών © Πανεπιστήμιο Κρήτης |
[Up - Table of Contents] [Prev - 5. Transients in RLC circuits] |
[printer version - PDF] [7. Diodes, Rectifiers, Zener - Next] |
Διαβάστε επιλεγμένα θέματα σχετικά με την απόκριση μόνιμης κατάστασης κυκλωμάτων που περιέχουν αντιστάσεις, πυκνωτές, και πηνία, και των οποίων οι πηγές είναι ημιτονοειδείς συναρτήσεις του χρόνου, δεδομένης συχνότητας (και ενδεχομένως διαφόρων φάσεων). Διαβάστε γιά τα θέματα αυτά:
Από τη θεωρία ξέρουμε ότι, για τη δεδομένη συχνότητα f και γωνιακή ταχύτητα ω, η σύνθετη αντίσταση (εμπέδηση - impedance) του πηνίου είναι ZL = jωL (μιγαδικός αριθμός --όπου j είναι η φανταστική μονάδα), η εμπέδηση της αντίστασης είναι ZR = R, και η συνολική εμπέδηση των δύο στοιχείων εν σειρά είναι το άθροισμα, R+jωL. Από τον διαιρέτη τάσης προκύπτει ότι ο λόγος τάσης εξόδου προς τάση εισόδου (η συνάρτηση μεταφοράς) είναι V2/V1 = R / (R+jωL) = 1 / [1 + jω(L/R)]. Η διαίρεση αυτή, μιγαδικών αριθμών, γίνεται ευκολότερα σε πολικές συντεταγμένες: αν εκφράσουμε τον παρονομαστή σαν μέτρο και γωνία, τότε ο αντίστροφός του έχει το αντίστροφο μέτρο και την αντίθετη γωνία. Ο μιγαδικός αριθμός που προκύπτει (συνάρτηση μεταφοράς) μας δίνει τη σχέση τάσης εξόδου, V2, ως προς τάση εισόδου, V1: πολλαπλασιάζοντας την V1 επί τη συνάρτηση μεταφοράς προκύπτει η V2, δηλαδή το μέτρο της V2 είναι το μέτρο της V1 επί το μέτρο της συνάρτησης μεταφοράς, και η συνημιτονοειδής καμπύλη της V2 σαν συνάρτηση του χρόνου προπορεύεται εκείνης της V1 κατά τη γωνία της συνάρτησης μεταφοράς. Εδώ, που η συνάρτηση μεταφοράς έχει μέτρο μικρότερο της μονάδας και γωνία αρνητική, η τάση εξόδου θα είναι μικρότερη της τάσης εισόδου, και η συνημιτονοειδής καμπύλη της εξόδου θα έπεται χρονικά εκείνης της εισόδου.
Υπολογίστε το μέτρο και τη γωνία της παραπάνω συνάρτησης μεταφοράς γιά το κύκλωμα του σχήματος (L = 47 μH, R = 10 Ω), γιά κάθε μιά από τις εξής συχνότητες πηγής: 1 kHz, 2 kHz, 4 kHz, 8 kHz, 16 kHz, 25 kHz, 34 kHz, 50 kHz, 65 kHz, 125 kHz, 250 kHz, 500 kHz, και 1 MHz. Στην παραπάνω "γκάμα" συχνοτήτων, η "κεντρική" συχνότητα, 34 kHz, υποδεικνύει το "γόνατο" της συνάρτησης μεταφοράς (τη "συχνότητα αποκοπής"): εκεί όπου ο παρονομαστής γίνεται (1+j), δηλαδή η γωνιακή ταχύτητα ισούται με 1 rad ανά σταθερά χρόνου του κυκλώματος (σταθερά χρόνου = L/R). Όπως θα διαπιστώσετε, στις πολύ "χαμηλές" συχνότητες (πολύ χαμηλότερες από τη συχνότητα αποκοπής), η έξοδος V2 είναι σχεδόν ίση με την είσοδο V1 (συνάρτηση μεταφοράς ~= 1), αφού τα πηνία συμπεριφέρονται σαν βραχυκύκλωμα στις χαμηλές συχνότητες· αντίθετα, στις πολύ "ψηλές" συχνότητες (πολύ ψηλότερες από τη συχνότητα αποκοπής), η έξοδος είναι πολύ μικρότερη από την είσοδο (μέτρο συνάρτησης μεταφοράς << 1), αφού τα πηνία συμπεριφέρονται σαν ανοικτό κύκλωμα στις ψηλές συχνότητες --εξ ού και το όνομα "βαθυπερατό φίλτρο".
Υπολογίστε όπως και στην άσκηση 6.1 το μέτρο και τη γωνία της συνάρτησης μεταφοράς γιά το κύκλωμα του σχήματος (C = 100 nF, R = 47 Ω), γιά κάθε μιά από τις ίδιες συχνότητες πηγής: 1 kHz, 2 kHz, 4 kHz, 8 kHz, 16 kHz, 25 kHz, 34 kHz, 50 kHz, 65 kHz, 125 kHz, 250 kHz, 500 kHz, και 1 MHz. Και πάλι η "κεντρική" συχνότητα, 34 kHz, είναι η συχνότητα αποκοπής, εκεί όπου ο παρονομαστής γίνεται (1+j), δηλαδή η γωνιακή ταχύτητα ισούται με 1 rad ανά σταθερά χρόνου του κυκλώματος (σταθερά χρόνου = RC --και εδώ η σταθερά χρόνου είναι 4.7 μs, όπως και στην άσκηση 6.1). Όπως θα διαπιστώσετε, στις πολύ "χαμηλές" συχνότητες (πολύ χαμηλότερες από τη συχνότητα αποκοπής), η έξοδος είναι πολύ μικρότερη από την είσοδο (μέτρο συνάρτησης μεταφοράς << 1), αφού οι πυκνωτές συμπεριφέρονται σαν ανοικτό κύκλωμα στις χαμηλές συχνότητες· αντίθετα, στις πολύ "ψηλές" συχνότητες (πολύ ψηλότερες από τη συχνότητα αποκοπής), η έξοδος V2 είναι σχεδόν ίση με την είσοδο V1 (συνάρτηση μεταφοράς ~= 1), αφού οι πυκνωτές συμπεριφέρονται σαν βραχυκύκλωμα στις ψηλές συχνότητες --εξ ού και το όνομα "υψιπερατό φίλτρο".
Υπολογίστε όπως και στην άσκηση 6.1 το μέτρο και τη γωνία της συνάρτησης μεταφοράς γιά το κύκλωμα του σχήματος (C = 100 nF, L= 47 μH, R = 10 Ω), γιά κάθε μιά από τις εξής συχνότητες πηγής: 6 kHz, 12 kHz, 25 kHz, 35 kHz, 50 kHz, 60 kHz, 73.41 kHz, 90 kHz, 100 kHz, 140 kHz, 200 kHz, 400 kHz, και 800 kHz. Εδώ, η "κεντρική" συχνότητα, 73.41 kHz, είναι η συχνότητα συντονισμού. Όπως θα διαπιστώσετε, στη συχνότητα συντονισμού η έξοδος V2 είναι ίση με την είσοδο V1 (συνάρτηση μεταφοράς = 1), ενώ τόσο "λίγο κάτω" όσο και "λίγο πάνω" από τη συχνότητα συντονισμού η έξοδος είναι πολύ μικρότερη από την είσοδο (μέτρο συνάρτησης μεταφοράς << 1), αφού είτε ο πυκνωτής (προς τα κάτω) είτε το πηνίο (προς τα πάνω) συμπεριφέρονται σαν ανοικτό κύκλωμα --εξ ού και το όνομα "ζωνοπερατό φίλτρο", αφού αφήνει να περάσουν μόνο μία ζώνη συχνοτήτων. Οι δέκτες ραδιοφώνων, τηλεοράσεων, και γενικά ασύρματων επιπκοινωνιών χρησιμοποιούν αυτή την αρχή γιά να "συντονίζονται" στη συχνότητα ενός σταθμού, και να αποκόπτουν τα σήματα από σταθμούς άλλων συχνοτήτων.
Προσοχή: Ρυθμίστε την τάση της πηγής σε σχετικά χαμηλές τιμές, τουλάχιστο γιά τις συχνότητες εκείνες που η εμπέδηση του πηνίου δεν είναι πολύ μεγάλη: η πηγή μεν μπορεί να δώσει γύρω στα 10 Volt, αν όμως τέτοιες τάσεις εμφανιστούν πάνω στην τόσο χαμηλή αντίσταση R=4.7Ω, αυτή θα καεί! Παραδείγματός χάριν, και γιά ευκολία μετρήσεων, ρυθμίστε την τάση κορυφής της πηγής στο 1 Volt, οπότε η τάση κορυφής της V2 θα ισούται με το μέτρο της συνάρτησης μεταφοράς. Μόνο στις πολύ ψηλές συχνότητες, όπου η συνάρτηση μεταφοράς παίρνει εξαιρετικά μικρές τιμές (δηλαδή η εμπέδηση του πηνίου είναι πολύ μεγάλη, άρα σχεδόν όλη η τάση της πηγής "πέφτει" πάνω στο πηνίο, και πολύ λίγη στην αντίσταση), εάν η τάση V2 είναι τόσο μικρή που η μέτρησή της καθίσταται προβληματική, τότε ανεβάστε την τάση πηγής π.χ. στα 10 Volt γιά να πάρετε ευκρινέστερες μετρήσεις. Σε κάθε αλλαγή συχνότητας, πιθανότατα να πρέπει να ξαναρυθμίζετε την τάση πηγής, γιά να διατηρέιται η V1 στο επίπεδο που την θέλετε, δεδομένου ότι η πηγή σας δεν είναι ιδανική, δηλαδή η εσωτερική της αντίσταση δεν είναι μηδέν.
Μετρήστε το μέτρο και τη γωνία της συνάρτησης μεταφοράς γιά κάθε μιά από τις συχνότητες της άσκησης 6.1 (και πιθανόν και γιά περισσότερες). Απεικονίστε τόσο τους υπολογισμούς σας της άσκησης 6.1 όσο και τις μετρήσεις σας αυτού του πειράματος στο χαρτί millimetre με λογαριθμική κλίμακα συχνοτήτων (οριζόντια) που σας δίνεται [PDF]. Γιά το μέτρο της συνάρτησης μεταφοράς, χρησιμοποιήστε λογαριθμική κλίμακα και στον κατακόρυφο άξονα· γιά τη γωνία, προτιμήστε γραμμική κλίμακα, στον κατακόρυφο άξονα. Συγκρίνετε τις τιμές των υπολογισμών με τις τιμές των μετρήσεων, και εξηγήστε/σχολιάστε τυχόν αποκλίσεις. Επίσης, παρατηρήστε ότι η τάση V2 είναι ανάλογη προς το ρεύμα του κυκλώματος, αφού είναι τάση πάνω σε μία αντίσταση· άρα, μπορούμε να θεωρήσουμε ότι στο κανάλι 2 του παλμογράφου βλέπουμε το ρεύμα του πηνίου. Στις ψηλές συχνότητες, όταν V2 πολύ μικρή, η τάση του πηνίου, V1-V2, είναι σχεδόν ίση με την V1, άρα είναι σχεδόν ό,τι βλέπουμε στο κανάλι 1. Υπ' αυτές τις συνθήκες, ελέγξτε ότι όντως η τάση του πηνίου, σε κάθε χρονική στιγμή, είναι ανάλογη προς την παράγωγο του ρεύματος που περνά από μέσα του εκείνη τη στιγμή.
Μετρήστε το μέτρο και τη γωνία της συνάρτησης μεταφοράς γιά κάθε μιά από τις συχνότητες της άσκησης 6.2 (και πιθανόν και γιά περισσότερες). Απεικονίστε γραφικά τόσο τους υπολογισμούς σας της άσκησης 6.2 όσο και τις μετρήσεις σας αυτού του πειράματος, κατ' αναλογία όπως και στο πείραμα 6.4. Συγκρίνετε τις τιμές των υπολογισμών με τις τιμές των μετρήσεων, και εξηγήστε/σχολιάστε τυχόν αποκλίσεις. Όπως είπαμε στο πείραμα 6.4, η τάση V2, στο κανάλι 2 του παλμογράφου, είναι ανάλογη προς το ρεύμα του πυκνωτή. Στις χαμηλές συχνότητες, όταν V2 πολύ μικρή, η τάση του πυκνωτή, V1-V2, είναι σχεδόν ίση με την V1, άρα είναι σχεδόν ό,τι βλέπουμε στο κανάλι 1. Υπ' αυτές τις συνθήκες, ελέγξτε ότι όντως το ρεύμα του πυκνωτή, σε κάθε χρονική στιγμή, είναι ανάλογο προς την παράγωγο της τάσης του εκείνη τη στιγμή.
Ψάξτε να βρήτε και να μετρήσετε τη συχνότητα συντονισμού:
τη συχνότητα εκείνη όπου μεγιστοποιείται το πλάτος της εξόδου V2·
τι διαφορά φάσης έχει η V2 από τη V1 στη συχνότητα συντονισμού, και γιατί;
Μετρήστε το μέτρο και τη γωνία της συνάρτησης μεταφοράς
γιά πολλές συχνότητες γύρω από τη συχνότητα συντονισμού
--πιό πυκνά κοντά στη συχνότητα συντονισμού,
και κάπως αραιότερα πιό μακρυά.
Απεικονίστε γραφικά τόσο τους υπολογισμούς σας της άσκησης 6.3
όσο και τις μετρήσεις σας αυτού του πειράματος,
κατ' αναλογία όπως και στο πείραμα 6.4.
Συγκρίνετε τις τιμές των υπολογισμών με τις τιμές των μετρήσεων,
και εξηγήστε/σχολιάστε τυχόν αποκλίσεις.
Παρατηρήστε ότι η συχνότητα συντονισμού πιθανότατα διαφέρει
από τα 73.41 kHz της άσκησης 6.3 --γιατί;
[Up - Table of Contents] [Prev - 5. Transients in RLC circuits] |
[printer version - PDF] [7. Diodes, Rectifiers, Zener - Next] |
Up to the Home Page of CS-121
|
© copyright
University of Crete, Greece.
last updated: 30 Mar. (minor 13/4) 2010, by M. Katevenis. |