CIRCUITUL BASCULANT ASTABIL

Transcript

1 Experimenul de fizică în şcoală 7 CIRCUITUL BASCULANT ASTABIL Andrei PETRUŞCA LICEUL PRINCIPESA NATALIA DADIANI, CHIŞINĂU REZUMAT Se propune o lucrare pracică la fizică care poae fi efecuaă în clasa XI, profil real. În lucrare se uilizează dispoziive uşor de procura la un preţ foare mic. În pregăirea lucrării po fi anrenaţi elevii pasionaţi de radioehnică şi elecronică. OBIECTIVUL LUCRĂRII Sudiul circuiului basculan asabil (mulivibraor) şi calculul perioadei oscilaţiilor generae în circui. APARATE ŞI MATERIALE LA DISPOZIŢIE Alimenaor elecric (9 V); osciloscop; două rezisoare de câe 90 Ω şi două de câe 47 kω; două condensaoare de 0, µf; fire de conexiune; ranzisoare КТ35А (Б, В, Г). NOŢIUNI TEORETICE În cursul de fizică se sudiază oscilaţiile elecrice sinusoidale şi dispoziivele elecronice care generează acese oscilaţii. În ehnica de calcul, auomaică şi radioelecronică, paralel cu oscilaţiile sinusoidale (armonice), se folosesc pe larg şi semnale periodice drepunghiulare. Acese semnale po fi produse cu ajuorul unor circuie basculane care se po afla în două sări: de blocaj şi de conducţie. Trecerea dinro sare în ala se face cu aplicarea sau fără aplicarea din exerior a unor impulsuri de comandă. Circuiul oscilan asabil nu are nici o sare sabilă corespunzăoare conducţiei, respeciv blocării unei ramuri. Trecerea dinr-o sare în cealală se face fără a fi necesar vreun impuls de comandă din exerior. Cea mai simplă meodă de obţinere a semnalelor elecrice periodice drepunghiulare ese daă de circuiul din fig.. Dacă se închide circuiul cu înrerupăorul K penru un inerval de imp, pe rezisorul R are loc căderea de ensiune U R consană pe o inervalul de imp. La deschiderea circuiului penru un inerval de imp 2 căderea de ensiune pe rezisorul R ese nulă. Repeând periodic aces proces de închidere şi deschidere a circuiului, vom obţine variaţia căderii de ensiune pe rezisorul R (fig. 2) cu perioada T = + 2. A U 0 R c C T K B Fig. 2 Fig. 2 R 2b R b B C C Fig. 3 T 2 R U U +E R 2 D -E

2 Experimenul de fizică în şcoală 8 Închiderea şi deschiderea circuiului poae fi realizaă şi cu ajuorul unor ranzisoare. Penru a înţelege mecanismul de închidere şi deschidere periodică a circuiului elecric în cazul folosirii ranzisoarelor, vom sudia principiul de funcţionare al circuiului basculan asabil din fig. 3. După conecarea circuiului la blocul de alimenare, curenul elecric circulă prin ambele ranzisoare T şi T 2, deoarece prin inermediul rezisoarelor R 2b şi R b la ambele baze ale ranzisoarelor se aplică o ensiune poziivă în rapor cu emioarele T şi T 2. Da fiind fapul că ranzisoarele T şi T 2 nu sun idenice, curenţii prin colecoarele lor cresc în mod diferi. Dacă inensiaea curenului prin colecorul ranzisorului T se măreşe mai repede, decâ inensiaea curenului prin colecorul ranzisorului T 2, poenţialul în puncul A scade mai rapid decâ poenţialul în puncul D. Aceasa se explică prin fapul că în aces caz căderea de ensiune pe rezisorul R c creşe mai rapid decâ pe rezisorul R 2c. Coborârea poenţialului în puncul A se ransmie la baza ranzisorului T 2 prin inermediul condensaorului C 2 sub forma unei căderi de ensiune de polariae negaivă. Simulan, poenţialul în puncul D creşe. Prin condensaorul C căderea de ensiune poziivă se ransmie la baza ranzisorului T, fap care duce la creşerea în coninuare a inensiăţii curenului elecric în colecorul ranzisorului T şi, respeciv, la căderea de mai depare a poenţialului în puncul A. Aces proces coninuă până la închiderea compleă a ranzisorului T 2 şi deschiderea compleă a ranzisorului T. Dacă ranzisorul T ese comple deschis, căderea de ensiune pe rezisorul R ese U =I R şi egală cu ensiunea la bornele sursei de alimenare: U = E. Curenul din circuiul colecorului ranzisorului T, prin condensaorul C 2, generează o cădere de ensiune negaivă U C = E pe baza ranzisorului T 2. Ca rezula, condensaorul C se încarcă până la ensiunea U C = 2E. Urmează descărcarea condensaorului C prin rezisorul R b după care ranzisorul T 2 începe să se deschidă. Creşerea inensiăţii curenului în colecorul ranzisorului T duce la căderea poenţialului în puncul D ca rezula al căderii de ensiune pe rezisorul R 2c din circuiul colecorului ranzisorului T 2. Căderea de ensiune negaivă pe rezisorul R 2c al ranzisorului T 2 se ransmie prin condensaorul C 2 la baza ranzisorului T şi duce la micşorarea inensiăţii curenului prin colecorul ranzisorului T. Aces proces are loc până la închiderea compleă a ranzisorului T şi deschiderea compleă a ranzisorului T 2 şi a.m.d. În cazul când rezisoarele R 2b, R b şi condensaoarele C şi C 2 dinre circuiele bazelor ranzisoarelor T şi T 2 sun egale înre ele, R 2b =R b, C = C 2, inervalele de imp în care un ranzisor ese închis, iar celălal e deschis şi invers sun egale, adică = 2, iar perioada de oscilaţie a ensiunii în colecorul unuia din ranzisoare va fi T = 2. Descărcarea condensaorului C prin R b sau a condensaorului C 2 prin rezisorul R 2b are loc după aceeaşi lege exponenţială: RC U = 2Ue () Prin ranzisorul T circulă curen elecric din momenul când ensiunea la baza ranzisorului ese nulă faţă de emior, însă aceasa are loc aunci când ensiunea pe armăurile condensaorului C 2 scade de la 2U până la U (în mod analog şi penru ranzisorul T 2 ). Prin urmare, R 2 C U C = U = Ue (2) Din ecuaţia (2) obţinem: e R C = 2 R C = ln 2

3 Experimenul de fizică în şcoală 9 sau 0, 7, U c-e RC de unde 0, 7RC (3) Perioada oscilaţiilor generae în circuiul basculan va fi: 0 T = 2, 4RC (4) U b-e deoarece = 2. 0 Variaţia ensiunii în circuiele colecor - emior şi bază - emior e reprezenaă în fig.4. În calculul circuiului Fig. 4 basculan ese necesar să se asigure funcţionarea ranzisorului în regim de cheie, deoarece aunci când ranzisorul ese deschis rezisenţa ranzisorului ese foare mică, asfel încâ ea poae fi neglijaă în comparaţie cu rezisenţa din circuiul colecorului şi în aces caz are loc egaliaea: E I C (5) R Deoarece raporul dinre inensiăţile curenului prin bază ese aproximaiv egal cu facorul de amplificare, penru asigurarea regimului de cheie al ranzisorului ese necesar ca inensiaea curenului prin baza ranzisorului să nu fie mai mică decâ valoarea I C / I b, adică I C I b (6) β Luând în consideraţie formula (5), obţinem: E I b (7) Reβ Inensiaea curenului prin baza ranzisorului depinde de valoarea ensiunii aplicae şi rezisenţa din circuiul bazei (R b ): E I b Rb (8) Deci, penru asigurarea regimului de cheie al ranzisorului rebuie să se îndeplinească condiţia: E E, sau Rb βr. Rb R c β c MODUL DE LUCRU:. Se calculează perioada (T) oscilaţiilor ensiunii în circuiul basculan asabil folosind formula () şi paramerii dispoziivelor uilizae. 2. Se monează schema circuiului şi se conecează la sursa de alimenare cu ensiunea de 9 V. 3. Se conecează inrarea Y a osciloscopului la colecorul ranzisorului T (puncul A în schema circuiului), adică la puncele A şi E (fig. 3). Reglând frecvenţa de baleiaj şi ampliudinea de sincronizare în regim sincronizare inernă, se obţine oscilograma sabilă

4 Experimenul de fizică în şcoală 20 a oscilaţiilor ensiunii pe colecorul ranzisorului T. Se sudiază şi se desenează oscilograma obţinuă pe ecranul osciloscopului. 4. Cu ajuorul osciloscopului, se măsoară perioada oscilaţiilor ensiunii şi se compară rezulaul obţinu cu rezulaul din puncul al lucrării. 5. Se repeă puncele 3 şi 4 penru cazul când inrarea Y a osciloscopului ese conecaă la colecorul ranzisorului T 2 (puncele D şi E, fig.3). 6. Se coneceză inrarea Y a osciloscopului la baza ranzisorului T (puncele C şi E, fig.3). Reglând frecvenţa de baleiaj şi ampliudinea de sincronizare în regim sincronizare inernă, se obţine oscilograma sabilă a oscilaţiilor ensiunii pe baza ranzisorului T. Se sudiază şi se desenează oscilograma obţinuă pe ecranul osciloscopului. 7. Se repeă puncul 6. Se conecează osciloscopul la baza ranzisorului T Se înocmeşe referaul lucrării care se încheie cu concluzii rase în baza puncelor 4-7. NOTĂ: În lucrare se va uiliza un osciloscop cu rezisenţă mare şi capaciae mică la inrare. BIBLIOGRAFIE. D. D. Sandu. Dispoziive şi circuie elecronice. Bucureşi, 975, p В. Г. Гусев, Ю. М. Гусев. Электроника. Москва, 99, p Дж. Фишер, Х. Б. Гетланд. Электроника от теории к практике. Москва, 980, p MIJLOACE DIDACTICE DE CONCEPŢIE PROPRIE Prof. Viorica CHIOREAN şi C. D. NENIŢESCU GRUPUL ŞCOLAR BAIA MARE Penru a confirma adevãrurile şiinţifice conţinue în lecţie profesorul de fizicã repeã în faţa elevilor sãi sau efecueazã împreunã cu aceşia experienţe cunoscue îndemnându-i sã observe aâ cauzele, câ şi efecele fenomenelor. Penru aceasa ese folosiã baza maerialã exisenã. Când doarea cabineului sau laboraorului din şcoalã nu ese saisfãcãoare, profesorul poae anrena elevii înr-o aciviae creaoare cu finaliaţi muliple cum ar fi: simularea creaiviãţii şi inveniviãţii, creşerea moivaţiei penru sudiu şi îmbogâţirea bazei maeriale, auodoarea laboraorului cu machee, aparae şi dispoziive care po fi uilizae ca maerial didacic în lecţiile de fizicã. Poae cã principiul de funcionare nu reprezinã o nouae la unele dispoziive, dar realizarea lor ese originalã, alele sun modele vechi dar subsanţial îmbunããţie asfel încâ se înãrese convingerea cã orice poae fi perfecţiona. DISPOZITIV PENTRU STUDIUL MIŞCÃRII OSCILATORII Domeniul de uilizare: maerial didacic uiliza în lecţiile de fizicã penru sudiul mişcãrii oscilaorii. Dispoziivul se compune din: a) o carcasã care proejeazã un mooraş elecric alimena de la reţea prin cablu; b) doi amburi pe care se înfãşoarã o rolã de hârie şi care sun anrenaţi prinr-un sisem de roţi dinţae; c) un supor mealic susţine un resor elasic la capãul câruia se aflã un corp care oscileazã; d) un supor penru creion mona de asemenea la capãul resorului. Eficienţa didacicã: dispoziivul permie vizualizarea raiecoriei unui corp afla în

5 Experimenul de fizică în şcoală 2 mişcare oscilaorie; mãsurarea ampliudinii oscilaţiei ; observarea amorizãrii oscilaţiei ca urmare a pierderii de energie prin frecãri. carcasã; 2 mooraş; 3 sisem de roţi; 4 ambur; 5 rolã de hârie; 6 supor mealic; 7 resor elasic; 8 supor penru creion; 9 creion; 0 greuae marcaã; cablu cu fisã. În urma alimenãrii de la reţea (la 220V) mooraşul pune în mişcare amburul pe care se aflã rola de hârie. În acelaşi imp corpul se pune în mişcare de oscilaţie şi odaã cu el oscileazã şi creionul care lasã urme pe hârie. Au loc douã mişcãri simulane: hâria se mişcã reciliniu pe direcţia orizonalã, în imp ce creionul oscileazã pe direcţie vericalã. APARAT PENTRU PUNEREA ÎN EVIDENŢÃ A REZONANŢEI ELECTROMAGNETICE Domeniul de uilizare: serveşe ca maerial didacic penru punerea în evidenţã a rezonanţei mecanice a unei lame elasice de oţel care vibreazã sub acţiunea impulsurilor dae de la un elecromagne. Pãrţile principale ale aparaului sun: ~ o lamã elasicã de oţel având unul din capee fixa înr-o menghinã culisanã ; lama poae vibra, în funcţie de lungimea capãului liber, cu diverse frecvenţe de oscilaţie; ~ un elecromagne simplu, alimena în curen alernaiv de 6 0 V, care la variaţiile de flux arage şi lasã liberã o lamã elasicã, cu o frecvenţã egalã cu dublul frecvenţei reţelei; ~ o menghinã culisanã, ghidaã pe un sisem de coloane orizonale, care poae fi deplasa de-a lungul L lamã elasicã vibranã; E elecromagne; M menghinã; S şurub de reglaj; C cadru rigid; G ghidajele menghinei. lamei cu ajuorul unui şurub cu pasul mic, comanda prinr-un buon mare, randalina. To impul deplasãrii lama elasicã ese ţinuã relaiv srâns în menghinã asfel ca la orice lungime a capãului liber puncul de srângere în menghinã sã fie considera un punc de încasrare rigidã; ~ un cadru mecanic rigid pe care sun fixae elemenele de mai sus, precum şi un sisem de srângere a lamei dupã necesiae. Dae caracerisice: ~ aparaul se poae alimena de la orice alimenaor didacic care poae da o ensiune alernaivã de 6 0 V; ~ dimensiunile aparaului sun: lungimea 240 mm, lãţimea 20 mm, înãlţimea 65 mm. Indicaţii de uilizare: ~ se srânge lama în menghina culisanã cu ajuorul celor douã şuruburi superioare, asfel ca prin roirea buonului menghina sã se poaã ouşi deplasa relaiv uşor de-a lungul lamei;

6 Experimenul de fizică în şcoală 22 ~ se aduce menghina la capãul dinspre buonul randalina, adicã se regleazã lungimea maximã liberã a lamei; ~ se coneceazã aparaul la sursa de alimenare, la ensiunea alernaivã de 6 0 V; ~ dupã conecare se va auzi un bâzâi care araã cã aparaul funţioneazã; ~ se roeşe înce buonul randalina asfel ca menghina sã se deplaseze spre capãul liber al lamei. Prin scurarea progresivã a capãului liber se va observa la un momen da cã ampliudinea oscilaţiilor libere creşe din ce în ce mai mul şi în acelaşi imp bâzâiul lamei creşe şi ese o mai bine auzi (la începu bâzâiul era foare slab); ~ coninuând roirea buonului vibraţiile lamei scad în ampliudine pânã se sing comple, aunci când se ajunge cu puncul de srângere aproape de capãul liber al lamei. Puncul în care bâzâiul se aude cel mai bine şi vibraţiile au elongaţie maximã corespunde lungimii opime de rezonanţã a lamei. Repeãnd experienţa invers, adicã mergând cu menghina în sens invers penru a ajunge la puncul care corespunde lungimii libere maxime a lamei, se va observa cã se rece din nou prin puncul în care se produce rezonanţa. DISPOZITIV PENTRU PUNEREA ÎN EVIDENŢÃ A REDRESÃRII CURENTULUI ALTERNATIV Domenii de uilizare: ca maerial didacic în lecţiile de fizicã penru: a) vizualizarea pe osciloscop a semnalului alernaiv comparaiv cu semnalul coninu; redresarea ensiunii alernaive; vizualizarea pe osciloscop a semnalului redresa, filra şi sabiliza; compararea meodelor de redresare. Dispoziivul se compune din: ~ ransformaor la 220 V, are în secundar o înfãşurare penru 2 V cu prizã medianã; ~ monaj penru redresare monoalernanţã cu o singurã diodã semiconducoare; ~ monaj penru redresare bialernanţã cu douã diode semiconducoare (necesiã o ensiune de alimenare dublã celei ce o va scoae la ieşire U inrare = 2 V şi U ieşire = 6 V); ~ monaj în pune penru redresare bialernanţã, cu paru diode semiconducoare; ~ monaj de filrare, cu un condensaor coneca în paralel la ieşirea redresorului; ~ sabilizaor de ensiune, conţine o diodã Zener (ampliudinea oscilaţiilor nu rebuie sã depãşeascã ordinul milivolţilor; Dispoziivul mai conţine un înrerupãor de reţea, becuri de semnalizare, ase penru cuplarea circuielor borne penru osciloscop, înrerupãor basculan, cablu cu fişã şi o carcasã cu fereasrã de proecţie. La borne se cupleazã osciloscopul ; prin carcasã cu fereasrã de proecţie; 2 circui penru redresare monoalernanţã; 3 circui penru redresare bialernanţã; 4 circui penru redresare bialernanţã în punce; 5 filru; 6 circui de sabilizare; 7 ase penru cuplarea circuielor ca inrare curen alernaiv; RM redresare monoalernanţã; RB redresare bialernanţã; RM F+S redresare monoalernanţã cu filru + sabilizare; RB F+S redresare bialernanţã cu filru + sabilizare; 8 borne penru osciloscop; 9 înrerupãor basculan; 0 ransformaor; cablu cu fişã. poziţionarea comuaoarelor se poae vizualiza pe osciloscop forma semnalelor de la inrare şi de la ieşirea acesora, câ şi influienţele filrului şi sabilizaorului asupra semnalului redresa. Eficienţã didacicã:

7 Experimenul de fizică în şcoală 23 ~ dispoziivul poae fi folosi în lecţie aunci când impul nu permie efecuarea monajelor de cãre elev folosind rusa de fizicã; ~ dispoziivul compleeazã rusa de fizicã, are oae monajele grupae (redresare, filrare, sabilizare) la vedere penru ca elevii sã poaã observa care monaj funcţioneazã şi simulan care ese forma semnalului de ieşire; ~ dispoziivul ese uşor de pus în funcţiune (prin simpla alimenare de la reţea) şi uşor de manipula. MACHETÃ FUNCŢIONALÃ PENTRU PUNEREA ÎN EVIDENŢÃ A MIŞCÃRII DE ROTAŢIE SIMULTAN CU MIŞCAREA DE REVOLUŢE Domeniul de uilizare: maerial didacic uiliza în lecţie penru sudiul mişcãrii circulare şi al mişcãrii de roaţie. Dispoziivul se compune din: ~ o carcasã din oţel melamina (30 x 30 ~ douã cabluri cu fişã; cm); ~ un mooraş de la şergãoarele de ~ douã înrerupãoare basculane; parbriz; ~ un mooraş de la o jucãrie ~ un glob alb penru a modela chinezeascã; Soarele; ~ un angrenaj de roţi dinţae; ~ un glob pãmânesc; ~ mai mule elemene de asamblare; ~ o minge penru a modela Luna; ~ douã becuri şi fire de legãurã. ~ o baerie de 4,5 V. Principiul de funcţionare are la bazã mişcarea imprimaã prinr-un angrenaj de roţi dinţae unui sisem de roaţie. Aces sisem forma din mai mule elemene de asambare sprijinã modelul Pãmânului şi Soarelui şi ese angrena de un mooraş de la şergãoarele de parbriz, alimena la o ensiune de 2 V de la un alimenaor didacic. Globul pãmânesc ese pus în mişcare de un mooraş de la o jucãrie chinezeascã alimena la o ensiune de 4,5 V de la o baerie de buzunar. Sisemul de roaţie a globului în jurul axei sale ese independen de sisemul de acţionare principal. Proecţia dispoziivului se face prin inermediul alimenaorului care are circui propriu de proecţie. mooraş de la şergãor de parbriz (2 V); 2 carcasã; 3 angrenaj de roţi dinţae; 4 elemene de asamblare; 5 soarele; 6 mooraş; 7 baerie 4,5 V; 8 globul pãmânesc; 9 luna Eficienţa didacicã: machea are un gabari redus şi o greuae micã puând fi ransporaã cu uşurinţã şi punerea ei în funcţiune nu necesiã o pregãire specialã, nici un imp îndelunga.

8 Experimenul de fizică în şcoală 24 DISPOZITIV PENTRU PUNEREA ÎN EVIDENŢÃ A UNDELOR STAŢIONARE PE UN FIR Domeniul de uilizare: ca maerial didacic în lecţiile de fizicã penru a demonsra compunerea oscilaţiilor mecanice şi formarea undelor saţionare pe un fir mealic. Dispoziivul se compune din: ~ moor de acţionare cu urmãoarele caracerisici funcţionale : U a = 24 V c.a.; P = 6 W; n = 800 roaţii/minu; ~ ransformaor monofaza U /U 2 = 220 V/24 V; ~ lampă de semnalizare; ~ înrerupãor basculan; ~ dispoziiv de ensionare a firului; ~ fir mealic (din nichelinã); ~ carcasã (penru a proeja moorul şi ransformaorul); ~ placã de bazã (lãţime 0,2 cm şi lungime,4 m); ~ cablu cu fişã. Principiul de funcţionare. Se alimeneazã dispoziivul la reţea (220V). Odaã cu mişcarea de roaţie a axului moorului se produc perurbaţii ransversale de-a lungul firului. Undele incidene se reflecã în puncul de ensionare a firului. Suprapunerea undelor reflecae pese undele incidene deerminã formarea undelor saţionare în firul de nichelinã. Se observã noduri şi venre pe oaã lungimea firului. Eficienţa didacicã: dispoziivul permie punerea în evidenţã a undelor saţionare pe un fir, mãsurarea ampliudinii oscilaţiei, observarea nodurilor şi venrelor. Timpul scur pe care îl necesiã folosirea lui permie inegrarea cu eficienţã în lecie. Punerea lui în funcţiune nu necesiã o pregãire prealabilã şi ese uşor de manevra. ~ placã de bazã; 2 ~ ransformaor; 3 ~ moor de acţionare; 4 ~ ax exerior; 5 ~ carcasã; 6 ~ fir de nichelinã; 7 ~ şurub de ensionare; 8 ~ înrerupãor; 9 ~ cablu cu fişã.