آزمایش جریان های متناوب - بررسی مدارهای R-C وR-R
هدف آزمایش: بررسی اثر خازن در مدارهای جریان متناوب – اندازهگیری ولتاژهای ورودی و خروجی و نیز تعیین اختلاف فاز بین ولتاژ ورودی و خروجی در مدارهای R-C و R-R.
وسایل آزمایش: برد RR-RC ، بلوكه مقاومت معلوم، بلوكه خازن بایپلار، پك كامل پرتهاي آزمايشگاهي u شکل، منبع تغذیه AC-DC واریابل ( )، مولتيمتر دستي ديجيتال (2عدد).
تئوری آزمایش
الف) مدارهای R-R: مقاومت در مدارهای الكترونیكی برای كاهش جریان بكار می رود، و این نقش برای مقاومت به نوع جریان بستگی ندارد، به عبارت دیگر برخلاف خازن و سیم پیچ، مقاومت جریانهای متناوب (A.C) و مستقیم (D.C) را به طور یكسان از خود عبور داده و فركانس دراین باره تاثیری ندارد، یعنی در یك مدار R-R بین ولتاژ ورودی و خروجی اختلاف فاز بوجود نخواهد آمد (توجه داشته باشید كه عامل ایجاد اختلاف فاز فركانس است). در شكل (1) اگر منحنی (a) نمایش تغییرات ولتاژ متناوب اعمال شده به یك مقاومت باشد، تغییرات جریان به صورت منحنی (b) بوده كه دقیقاً با نمودار (a) هم فاز است و فقط دامنه آن تغییر نموده است.
شكل (2) شكل (1)
شكل(2) یك نمونه مدار R-R را نشان می دهد با توجه به شكل اگر ولتاژ ورودی بصورت و جریان مدار I باشد در این صورت می توان نوشت :
و ازآنجا یعنی ولتاژ دو سر مقاومت برابر است با:
و از تقسیم این رابطه بر خواهیم داشت:
(1)
ب) مدارهای R-C: نمونه ای از مدارهای R-C كه تركیبی است از خازن و مقاومت درشكل (3) نشان داده شده است هم چنانكه می دانیم خازن جریان های D.C را سد كرده و مقاومتی كه از خود در برابر آن نشان می دهد بینهایت است در حالی كه این مقاومت در مقابل جریانهای A.C محدود است، به عبارت دیگر جریانهای A.C برخلاف D.C می توانند از خازن عبور كنند. مقاومتی را كه خازن در این حالت از خود نشان می دهد، مقاومت ظاهری گفته و به فركانس جریان متناوب و ظرفیت خازن بستگی دارد، این بستگی به نسبت عكس فركانس و ظرفیت بوده وبرابر است با :
از طرفی وجود فركانس سبب می شود كه اختلاف فازی معادل بین ولتاژ اعمال شده به یك خازن و جریانی كه از آن می گذرد ایجاد گردد، یعنی اگر خازنی را با یك مقاومت بطور سری در یك مدار جریان متناوب قرار دهیم شدت جریان مدار نسبت به ولتاژ خازن باندازه جلو می افتد،
این موضوع را درشكل (4) مشاهده می¬کنید. نمودار (الف) تغییرات اختلاف پتانسیل دو سر خازن و (ب) تغییرات جریانی را كه از آن می گذرد نشان می دهد.
شكل(4) شكل(3)
نكته قابل توجه اینكه، وجود اختلاف فاز سبب می شود كه ما نتوانیم جمع عددی را بین ولتاژ های خازن و مقاومت برقرار كنیم، بلكه بایستی جمع برداری را برای آنها به كارببریم. (شكل 5)
شكل (5)
مقداراختلاف فاز بین ولتاژ كل وجریان مدار (یا ولتاژ كل و ولتاژ مقاومت) با توجه به شكل (5) از رابطه زیر به دست می آید:
از طرف دیگر چون و است رابطه بالا چنین می شود:
و كل مقاومت مدار كه به آن امپدانس مدار گفته می شود از رابطه زیر محاسبه می گردد:
(2)
روش آزمایش
الف) مدارهای R-R
1- مدار شكل (2) را بسته و با تغییر هر بار و جریان مدار را اندازه گرفته در جدول یادداشت كنید.
Vin
Vout
I
2- با استفاده از جدول بالا رابطه (1) را تحقیق كنید.
3- نمودارتغییرات I برحسب را با استفاده از جدول بالا رسم كنید. ازاین نمودارچه نتیجه ای بدست می آید؟
ب) مدارهای R-C
1- مدارشكل (3) را بسته، اختلاف پتانسیل دو سر مقاومت، خازن و منبع تغذيه و نیز جریان مدار را اندازه گرفته درجدول یادداشت كنید.
2- نمودار برداری ولتاژها را رسم كرده، به كمك آن اختلاف فاز بین جریان مدار و ولتاژ كل را بدست آورید.
3- با استفاده ازجدول بالا مقادیر Z و Xc را بدست آورید.
4- مقدار Z را با توجه به رابطه (2) محاسبه كرده با نتیجه بالا مقایسه كنید.
5- ظرفیت خازن را مجهول فرض كرده، مقدار آن را از روی Xc به دست آورید.