Pracownia: dioda, nieliniowy opór i energia kondensatora

Potrzebne wiadomości: Obwód prądu stałego, energia i pomiar napięcia.

Dioda i charakterystyka

Nauczyciel przygotowuje ograniczone prądowo źródło niskiego napięcia, właściwy rezystor i diodę LED. Porównaj przewodzenie w dopuszczonych kierunkach i zakresach, nie przekraczając małego dozwolonego napięcia wstecznego. Mierz U na diodzie i I w szeregu. Wykres I(U) pokazuje nieliniowość; stosunek U/I w jednym punkcie nie opisuje całej krzywej.

W gotowym izolowanym zestawie z niskonapięciowym przebiegiem przemiennym obserwuj prostowanie na bezpiecznym oscyloskopie szkolnym lub przygotowanym rejestratorze. Nie podłączaj samodzielnie oscyloskopu do sieci. Dioda może ograniczać jeden kierunek prądu, lecz wyjście jednopołówkowe nie jest automatycznie stałym napięciem bez tętnień.

Nieliniowość widać przy zmianie punktu pracy

Dla żarówki 1 V i 0,10 A daje 10 Ω, natomiast 3 V i 0,15 A daje 20 Ω. Podwoił się iloraz U/I, chociaż napięcie wzrosło trzykrotnie. Ogrzane włókno może mieć większy opór. Porównuj dane po ustaleniu temperatury; bardzo szybka zmiana napięcia badałaby również stan przejściowy.

W diodzie zależność jest jeszcze inna i silnie zależy od kierunku. Rezystor szeregowy ogranicza prąd, ale napięcie źródła nie jest napięciem samej diody. Trzeba zmierzyć właściwy odcinek obwodu. Narysuj charakterystykę z opisanymi osiami zamiast jednej wartości „oporu diody” przypisanej wszystkim napięciom.

Żarówka i kondensator

Mała żarówka szkolna w dopuszczonym zakresie pozwala porównać zimne i cieplejsze włókno. Poczekaj na ustalenie warunków i zapisuj oba wskazania; wzrost U nie musi proporcjonalnie zwiększać I.

Energię kondensatora demonstruj wyłącznie przygotowanym przez nauczyciela zestawem niskonapięciowym o małej energii, z poprawną biegunowością i rezystorem ograniczającym prąd. Po naładowaniu odłącz źródło, a energię oddaj przez zaprojektowany odbiornik, nie przez zwarcie. Obserwuj zanik napięcia lub krótkie świecenie LED. Nie rozbieraj zasilaczy ani lamp błyskowych. Porównaj energię CU²/2 z energią odbiornika i stratami; napięcie początkowe bez pojemności nie określa zapasu energii.

Kondensator: napięcie i energia zanikają inaczej

Przy C=1000 µF energia przy 3 V wynosi 4,5 mJ. Przy 1,5 V pozostaje 1,125 mJ, czyli jedna czwarta. Spadek napięcia o połowę nie oznacza oddania połowy energii. To bezpośrednia konsekwencja kwadratu w CU²/2.

W idealnym rozładowaniu przez opór R napięcie maleje jak U₀e^−t/(RC). Dla R=1 kΩ oraz C=1000 µF stała czasowa wynosi 1 s. Po 1 s zostaje około 1,10 V, a energia maleje do około 13,5% początkowej. Woltomierz dołączony równolegle tworzy dodatkową drogę rozładowania; przy dużym R trzeba sprawdzić, czy jest pomijalna.

Jeden znak nie oznacza stałej wartości

Po idealnym prostowaniu jednopołówkowym ujemne półokresy zostają usunięte, a dodatnie nadal mają zmienną wysokość. Zera między impulsami są częścią wyniku. Miernik pokazujący średnią może ukrywać ten przebieg, dlatego warto zobaczyć przygotowany zapis napięcia w czasie.

Wygładzanie wymaga magazynowania i oddawania energii między impulsami. Wielkość tętnień zależy także od odbiornika; sam kondensator o podanej pojemności nie gwarantuje dowolnie stabilnego napięcia.

Zadania do tego tematu

• Nieliniowy element w dwóch punktach pracy
• Mała energia modelowego kondensatora
• Prostowanie nie oznacza braku tętnień

Dalsza lektura

Materiał referencyjny