В статье приведено описание системы учебных опытов для изучения процессов зарядки и разрядки конденсатора с помощью виртуального осциллографа, построенного на базе прибора NI myDAQ. Предлагаемая методика проведения измерений может быть реализована в процессе обучения физике и электротехнике.
Ключевые слова:виртуальный прибор, конденсатор, NI myDAQ, LabVIEW, электротехника.
При проведении лабораторных работ по физике и электротехнике мы применяем портативное устройство сбора данных NI myDAQ, в котором используется технология виртуальных приборов NI LabVIEW [1]. Оно хорошо подходит для изучения электроники, электротехники и сбора данных с помощью датчиков [2]. NI myDAQ обеспечивает функции аналогового ввода, аналогового вывода, цифрового ввода и вывода, аудиовхода и аудиовыхода, источника питания и цифрового мультиметра в компактном USB-устройстве. На его базе могут быть созданы следующие виртуальные приборы:
- амперметр;
- вольтметр;
- омметр;
- осциллограф;
- функциональный генератор;
- анализатор Бодэ;
- динамический анализатор сигнала;
- генератор сигналов произвольной формы;
- считыватель цифровых сигналов;
- генератор цифровых сигналов.
Кратко опишем методику использования виртуальных приборов на базе NI myDAQ для изучения конденсаторов. Целью эксперимента, который проводят обучающиеся, является экспериментальное исследование зависимости напряжения на конденсаторе от времени при его зарядке и разрядке. Исследование осуществляется с помощью схемы, изображенной на рис. 1. Для реализации эксперимента необходимо использовать два виртуальных прибора, входящих в состав NI myDAQ: генератор переменного напряжения и осциллограф, который позволяет выводить на экран два сигнала одновременно, что является очень важным в условиях данного исследования и позволяет обучающимся сравнивать напряжения на входе и на выходе собранной RC-схемы. На рис. 1 подключение осциллографа непосредственно к выходу генератора (входу RC-схемы) не показано. Изучая конденсатор, обучающиеся получают осциллограммы, представленные на рис. 2, 3, 4 и 5.
Рис. 1. Принципиальная схема экспериментальной установки
Обычно для изучения процессов зарядки и разрядки конденсатора используют электрическую цепь с ключом, с помощью которого конденсатор либо заряжают от источника, либо разряжают его через резистор. В нашем случае для этих целей используется генератор прямоугольных импульсов, тем самым автоматизируется процесс поочередной зарядки и разрядки конденсатора. В момент времени, когда напряжение на выходе генератора становится отличным от нуля, конденсатор начинает заряжаться (рис. 2). В этом случае напряжение на его обкладках меняется согласно закону:
где 
— максимальное напряжение на выходе генератора, R — электрическое сопротивление резистора, C — емкость конденсатора, t — время. В момент времени, когда напряжение на выходе генератора становится равным нулю, конденсатор начинает разряжаться (рис. 2). Напряжение на его обкладках при этом изменяется согласно следующей зависимости:
Рассмотренные выше процессы, как уже было сказано выше, обучающиеся могут пронаблюдать с помощью виртуальных приборов: осциллографа и генератора (рис. 2).
Рис. 2. Визуализация процессов зарядки и разрядки конденсатора
Затем эти же процессы экспериментально изучаются при других частотах, установленных на генераторе (рис. 3 и 4). В результате обучающиеся убеждаются, что при больших частотах применение конденсатора в выпрямителях в качестве сглаживающего фильтра более эффективно, так как кривая напряжения становится ближе по своей форме к прямой (рис. 4).
Рис. 3. Протекание процессов зарядки и разрядки конденсатора при увеличении частоты импульсов генератора
Рис. 4. Существенное изменение частоты следования импульсов генератора
На рис. 5 продемонстрирована зависимость напряжения на обкладках конденсатора от времени в случае, когда время зарядки невелико и промежуток времени между электрическими импульсами существенно больше времени, в течение которого напряжение на выходе генератора отлично от нуля.
Рис. 5. Уменьшение времени зарядки конденсатора
Практика показывает, что использование технологии виртуальных приборов LabVIEW в процессе обучения физике, электротехнике и электронике существенно улучшает наглядность проводимых лабораторных исследований и за счет этого повышает эффективность обучения.
Литература:
1. Данилов О. Е. Применение компьютерных технологий в учебном физическом эксперименте / О. Е. Данилов // Молодой ученый. — 2013. — № 1. — С. 330–333.
2. Данилов О. Е. Экспериментальное изучение однофазных выпрямительных схем с помощью прибора NI myDAQ / О. Е. Данилов // Дистанционное и виртуальное обучение. — 2013. — № 12. — С. 105–114.
