Лабораторная работа №4
Исследование диэлектрических материалов
Выполнил: студент группы АП-10-1 Лобик А.М.
Проверил: ассистент кафедры Э и МЭ Красильников С.С.
Магнитогорск 2011
Цель работы
Ознакомится со свойствами диэлектрических материалов на примере диэлектриков, применяемых в конденсаторах.
Описание лабораторного стенда
В состав лабораторного стенда входят:
1) персональный компьютер с программным обеспечением;
2) платформа для лабораторных измерений NI ELVIS II;
3) комплект монтажных проводов;
4) два конденсатора;
5) комплект измерительных щупов;
6) два резистора.
Задание для домашней подготовки
1) Перед выполнением работы необходимо ознакомиться с основными свойствами конденсаторов, повторить основные соотношения теории электрических цепей применительно к конденсаторам.
2) Изучить назначение и функциональные возможности ВП Impedance Analyzer из палитры приборов NI ELVISmx (материалы представлены в файле «NI ELVIS II. Учебный курс.pdf»).
3) Ознакомиться с методикой проведения лабораторной работы.
Порядок выполнения работы
Задание 1. Измерить емкость двух коденсаторов
1) Собрать схему, представленную на рисунке 1.
Рисунок 1 – Схема измерения емкости конденсатора
2) При помощи виртуального прибора (ВП) DMM из палитры приборов NI ELVISmx измерить емкость двух конденсаторов С1 и С2.
3) Записать в таблицу маркировку конденсаторов и результаты измерений.
Задание 2. Расчет и измерение электрических параметров конденсаторов
1) При помощи ВП Impedance Analyzer провести измерения полного сопротивления конденсатора 
, активной составляющей сопротивления 
, реактивной составляющей 
и фазы вектора полного сопротивления 
для двух конденсаторов С1 и С2 при различных частотах входного сигнала (см. таблицу 1).
2) Для каждого измерения из п.п. 1 произвести расчет значений тангенса угла диэлектрических потерь 
и емкости конденсатора 
.
3) Результаты измерений свести в таблицу 1.
Таблица 1 – Результаты измерений
| СН, мкФ* | CИ , мкФ** | f, Гц | Z, кОм | φ, град | R, Ом | X, Ом | CР, мкФ*** | tg(δ) |
| … | ||||||||
*CH - номинальное значение емкости, **CИ - измеренное значение емкости,
***СР - расчетное значение емкости.
4) По данным таблицы 1 построить графики зависимости:
C1 = 
(f) и C2 = (f);
tg(δ1) = (f) и tg(δ2) = (f);
Z1 = (f) и Z2 = (f);
XC1 = (f) и XC2 = (f).
На графиках оси частот изобразить в логарифмическом масштабе.
Задание 3. Исследование переходных процессов в RC-цепи
1) Собрать схему, представленную на рисунке 2.
Рисунок 2 – Схема исследования переходных процессов
2) При помощи ВП Functional Generator из палитры приборов NI ELVISmx установить на вход схемы сигнал прямоугольной формы. Опытным путем подобрать значение коэффициента заполнения[1] (Duti Cycle) прямоугольного сигнала таким, чтобы на экране осциллографа наиболее качественно отображались графики заряда и разряда конденсатора.
3) Выполнить Print Screen экрана осциллографа, сохранить изображения.
4) Повторить п.п. 2, для двух резисторов разных номиналов (R1 и R2).
5) Выполнить расчет постоянных времени 
заряда/разряда конденсатора и
времени переходного процесса 
при различных значениях сопротивления резисторов (R1 иR2):
,
.
6) Результаты расчетов занести в таблицу. Сравнить результаты расчетов с результатами эксперимента.
Выполнение работы
1) Собрана цепь в соответствии с рисунком 1 для двух конденсаторов. При помощи NI ELVISmx Digital Multimeter измерено емкость у каждого из них.
Результаты измерений и маркировка конденсаторов представлена в таблице 1.
Таблица 1 – Маркировка конденсаторов и результаты измерений
| Тип | Маркировка | Измеренная емкость |
| С1 | M4N3K | 4,08 нФ |
| С2 | 20 мкФ | 8,13 мкФ |
2) Собрана цепь в соответствии с рисунком 1 для двух конденсаторов. При помощи NI ELVISmx Impedance Analyzer для каждого конденсатора измерено: полное сопротивление, активное и реактивное сопротивления, фаза вектора полного сопротивления, при различных частотах.
Далее произведен расчет тангенса диэлектрических потерь и емкости конденсаторов. Тангенс диэлектрических потерь равен отношению активного сопротивления к реактивному сопротивлению конденсатора:
tg(δ) = 
Результаты всех измерений представлены в таблице 2.
Таблица 2 – Результаты измерения электрических параметров конденсаторов
| СН, мкФ | CИ , нФ | f, Гц | Z, кОм | φ, град | R, кОм | X, кОм | CР, нФ | tg(δ) |
| 0,004 | 4,08 | 781,5 | 29,9 | -730,92 | 4,35 | 0,04 | ||
| 391,21 | 270,97 | 6,63 | -391,92 | 4,06 | 0,017 | |||
| 195,4 | 270,8 | 4,5 | -195,4 | 4,08 | 0,023 | |||
| 130,4 | 270,6 | 1,38 | -130,43 | 4,07 | 0,011 | |||
| 78,2 | 270,55 | 0,935 | -78,2 | 4,073 | 0,012 | |||
| 55,8 | 270,5 | 0,81 | -55,82 | 4,08 | 0,015 | |||
| 39,2 | 0,566 | -39,2 | 4,06 | 0,014 | ||||
| 13,04 | 269,8 | -0,43 | -13,04 | 4,07 | 0,033 | |||
| 7,8 | 269,32 | -0,92 | -7,8 | 4,083 | 0,12 | |||
| 0,21 | 296,2 | 0,094 | -0,19 | 0,5 | ||||
| 0,13 | 302,5 | 0,07 | -0,11 | 0,64 | ||||
| 0,084 | 310,97 | 0,055 | -0,063 | 0,87 | ||||
| 0,065 | 317,6 | 0,05 | -0,046 | 1,1 | ||||
| 0,055 | 352,18 | 0,045 | -0,03 | 1,5 | ||||
| 0,049 | 329,72 | 0,042 | -0,025 | 1,68 | ||||
| 0,045 | 333,86 | 0,04 | -0,02 | |||||
| 0,035 | 342,3 | 0,034 | -0,011 | 3,09 | ||||
| 0,032 | 344,4 | 0,031 | -0,0087 | 3,56 |
На рисунке 3 показаны графики зависимостей емкости конденсаторов от частоты:
а) первый конденсатор С1;
б) второй конденсатор С2.
а) 
б)
Рисунок 3 – Графики зависимостей емкостей конденсаторов от частоты
На рисунке 4 показаны графики зависимостей тангенсов диэлектрических потерь конденсаторов от частоты:
а) первый конденсатор С1;
б) второй конденсатор С2.
На рисунке 5 показаны графики зависимостей полных сопротивлений от частоты:
а) первый конденсатор С1;
б) второй конденсатор С2.
а) 
б) 
Рисунок 4 – Графики зависимостей тангенсов диэлектрических потерь конденсаторов от частоты
а) 
б) 
Рисунок 5 – Графики зависимостей полных сопротивлений конденсаторов от частоты
На рисунке 6 показаны графики зависимостей реактивных сопротивлений от частоты:
а) первый конденсатор С1;
б) второй конденсатор С2.
а) 
б)
Рисунок 6 – Графики зависимостей реактивных сопротивлений конденсаторов от частоты
3) Собраны две цепи в соответствии с рисунком 2 для двух разных резисторов.
При помощи NI ELVISmx Functional Generator был задан сигнал прямоугольной формы. В NI ELVISmx Oscilloscope наблюдаем время заряда и разряда конденсатора. Маркировка конденсатора: M4N3K, C=4 нФ.
На рисунке 7 изображено показание осциллографа, в цепи, где содержится первый резистор. Маркировка резистора: 10 КО.
Рисунок 7 – NI ELVISmx Oscilloscope прямоугольный сигнал, в цепи с первым резистором
На рисунке 8 изображено показание осциллографа, в цепи, где содержится второй резистор. Маркировка резистора: М18.
Рисунок 8 – NI ELVISmx Oscilloscope прямоугольный сигнал, в цепи со вторым резистором
Результаты измерений времени зарядки/разрядки конденсатора, представлены в таблице 2.
Таблица 2 – Результаты расчетов
| Резистор | τ, мкс | Т, мкс |
| R1 | 40,8 | 122,4 |
| R2 | 734,4 | 2203,2 |
Вывод:
Отличительное свойство конденсатора от других электронных элементов, это свойство заряжаться, потребляя энергию, и разряжаться, отдавая ее обратно в сеть.
Графики зависимостей характеристик конденсаторов от частоты показывают, как при увеличении частоты входного сигнала меняются его параметры.
[1] Коэффициент заполнения – отношение длительности импульса к периоду сигнала.