回路解析ラボのチュートリアルの概要

この実験チュートリアルでは、回路内のコンデンサの充電と放電の基礎を教えながら、典型的な学部電子工学実験演習と、Moku:Go とその Windows および macOS アプリを使用してそれを効果的に実施する方法について説明します。このラボは、デトロイト大学マーシー校と協力して設立されました。

Moku:Go

Moku:Go は、14 つのアナログ入力、2 つのアナログ出力、2 個のデジタル I/O ピン、およびオプションの統合電源を備えた 16 台の高性能デバイスに XNUMX 台以上のラボ機器を組み合わせています。

概要

オシロスコープは、電気技術者にとって、学部教育および職業上のキャリアを通じて最もよく使用されるツールの 1 つです。このラボは、入門レベルの回路解析コースで学部生にオシロスコープとプログラマブル電源を紹介するように設計されています。 Moku:Go を使用して、コンデンサの充電と放電の過渡現象をカバーするこのラボを完了します。下の図 XNUMX は、Moku:Go のオシロスコープでの測定のイメージを示しています。

このラボの目的は、オシロスコープの入門だけではなく、コンデンサの充電と放電の入門でもあります。コンデンサは回路の基本コンポーネントの 1 つであり、そのさまざまな特性を理解することはエンジニアとして成功するために不可欠です。コンデンサの最もよく知られた特性の 1 つは、プレート間の電圧差の形でエネルギーを蓄積できることです。ただし、このエネルギーがコンデンサに蓄積されるまでにはゼロではない時間がかかります。これは、タイミング回路や電力制御回路を設計するときに実際に非常に役立つ機能です。コンデンサが指定された電圧に充電されるまでにかかる時間については、このラボ チュートリアルでさらに詳しく調べます。

図 1: オシロスコープの画像

ラボ前の演習

1

最初の練習は、充電コンデンサの過渡電圧の式に慣れることです。以下の図 2 は、充電コンデンサと t = 0 秒で閉じるスイッチを備えた回路を示しています。 KVL を使用して、コンデンサ両端の電圧 VC(t) を求めます。

ヒント: コンデンサを流れる電流の式を思い出してください i=C(dv/dt)

図 2: 充電コンデンサの設計

この演習は、KVTL から回路の方程式を導き出し、テスト下で回路がどのように動作するかを理解するなど、基本的なエンジニアリング スキルを開発するために重要です。

2

コンデンサの放電を除いて、前の演習を繰り返します。以下の図 3 は、放電コンデンサと t = 0 秒で開くスイッチを備えた回路を示しています。

図 3: 放電コンデンサの図

この演習は、KVL から回路の方程式を導き出し、テスト下で回路がどのように動作するかを理解するなど、基本的なエンジニアリング スキルを開発するために重要です。 R と C のさまざまな組み合わせを直列または並列で使用して、この公式を生徒に導き出すと役立つ場合があります。

3

図 2 の充電回路には次の値を使用します。 t = 1ms の場合の VC を求めます。

• V_S = 15.5 V
• R = 330Ω
• C = 10μF

この演習は、導出された方程式を適用し、実験中に予想される結果で実験値を確認するのに適しています。

同じ値と演習 1 の計算を使用して、計算します。

• コンデンサ両端の初期電圧 V_C(0)
• コンデンサ両端の最終電圧 V_C（∞）
• 時定数 τ

この演習は、時定数に関する教室での理論を応用したり、工学的な直観を養うのに役立ちます。

実験設定

コンポーネント

• モク:ゴ [1x]
• 抵抗330Ω[×2]
• 抵抗1kΩ[×2]
• コンデンサ 10μF [×1]
• ブレッドボード [x1]

ラボの手順

1

R4 = R1 = 2 Ω、C = 330μF を使用して、図 10 の回路を構築します。

図 4: 充電コンデンサの実験回路

R2 は時定数 τ と最終電圧にどのような影響を与えますか V_C  ラボ前の演習と比べて?

これは、分圧器などの基本的な回路理論を取り入れて、回路の時定数と最終電圧にどのような影響を与えるかを示すため、この研究室の学生にとって素晴らしい演習です。生徒は、時定数が減少し、その結果コンデンサが最終電圧に達するまでの時間が減少することに気づくはずです。その後、2 つの 330Ω 抵抗を並列に使用する分圧器により、最終電圧は XNUMX 分の XNUMX に減少します。

2

最新バージョンの Moku: デスクトップ アプリがコンピューターにダウンロードされていることを確認してください。ソフトウェアはからダウンロードできます こちら.

3

磁気電源アダプターを Moku:Go に接続し、前面の LED が緑色に変わるまで待ちます。

Moku:Go は、イーサネット、USB-C、Wi-Fi の 3 つの異なる方法でラップトップに接続できます。を参照してください。 Moku:Go クイック スタート ガイド Moku:Go をコンピュータに接続する方法について説明します。接続すると、Windows または MacOS アプリケーションのデバイス選択画面に Moku:Go が表示されます。

図 5: Moku アプリのデバイス選択画面

4

Moku:Go が接続されたので、オシロスコープ機器をダブルクリックします。右側のコントロールドロワーには 5 つの異なるタブがあります。これらは、チャンネル、タイムベース、トリガー、測定、および電圧計の設定にアクセスします。

• トリガーモードをシングルに設定します。これにより、単一の過渡波形をキャプチャできます。
• チャンネル 1 と入力 1 へのソースを有効にします。
• トリガーの種類としてエッジを選択し、充電および放電の練習には立ち上がりまたは立ち下がりを選択します。

5

回路に電圧源を適用するには、メイン メニュー ボタンに移動します。 画面左上の をクリックし、「電源」をクリックします。

図 6: 電源設定

PPSU 2 がオンになっていて、15.5V に設定されていることを確認します。

6

Moku:Go のオシロスコープで充電コンデンサの過渡電圧波形をキャプチャします。

もう一度トリガー タブに移動し、トリガー レベル設定を見つけます。トリガ レベルは、スコープ表示上の波形を中心に置くために使用されます。トリガ レベルが初期電圧と最終電圧の間にある場合、充電電圧がトリガ レベルを横切った瞬間の t = 0 秒で、充電波形がディスプレイの中央に表示されます。このラボでは、トリガー レベルを回路の RC 時定数に設定すると便利です。式 1 を使用して値を計算すると、最終電圧の約 63.2% になります。

下の図 7 は、充電コンデンサのオシロスコープの表示例を示しています。

図 7: 充電コンデンサのオシロスコープ表示

プロットが図 7 のようになったら、カーソルを使用して以下を測定します。

• コンデンサ両端の初期電圧 V_C(0)。これを基準電圧カーソルにします。
• コンデンサ両端の定常状態の電圧 V_C(∞)。
• 時定数 τ₁。 (つまり、スイッチが閉じてから V になるまでの時間)_C(t) = 0.632*V_C(∞))。
• 1 つの時定数後のコンデンサ両端の瞬時電圧 V_C(t₁)

7

放電コンデンサの過渡電圧を除き、ステップ 6 を繰り返します。

放電回路はスイッチを開いた直後から電圧が下がり始めるため、必ずエッジタイプを立ち下がりに設定してください。トリガーレベルを決定するために同じプロセスを繰り返しますが、今回は初期電圧に 36.8% を乗じて最適な値を取得します。

以下の図 8 は、プロットがどのように見えるかを示しています。

図 8: 放電コンデンサのオシロスコープ表示

プロットが図 8 のようになったら、カーソルを使用して以下を測定します。

• コンデンサ両端の初期電圧 V_C(0)。これを基準電圧にしてください。
• コンデンサ両端の定常状態の電圧 V_C(∞)。
• 時定数 τ₂。 (つまり、スイッチが閉じてから V になるまでの時間)_C(t) = 368*V_C（0））。
• 1 つの時定数後のコンデンサ両端の瞬時電圧 V_C(t₂)

8

次の値を使用して手順 6 と 7 を繰り返します。方程式 1 と 2 はまだ成立しますか?

• V_s = 5v
• R₁ = R₂ = 1kΩ
• C = 10μF

まとめ

一次過渡回路に関するこのラボは、電気工学計装と実践的なラボ スキルへの優れた入門書です。 Moku: プラットフォームには自由に使える多くの機器があり、このラボではオシロスコープと 4 つの統合プログラマブル電源のうちの 1 つを独自に組み合わせて使用​​しました。結果の公開とレポートは、Moku: アプリ内での画面キャプチャまたはファイル共有を使用して簡単に行うことができます。これを行うには、画面上部の雲のアイコンをクリックします。以下のスクリーンショットは、結果を保存する方法を示しています。

図 9: オシロスコープ データのエクスポート

Moku:Go の利点

教育者および研究助手向け

• ラボのスペースと時間を効率的に利用
• 一貫した機器構成の容易さ
• 機器のセットアップではなく電子機器に焦点を当てる
• 研究室のティーチングアシスタントの時間を最大限に活用する
• 個別のラボ、個別の学習
• スクリーンショットによる簡易評価と採点

学生のために

• 自分のペースで行う個々のラボにより、理解と定着率が向上します
• ポータブルで、自宅、キャンパスの研究室、さらにはリモートでの共同作業など、研究室での作業のペース、場所、時間を選択できます。
• 使い慣れた Windows または macOS ラップトップ環境でありながら、プロ仕様の機器を備えています
  

  ---

Moku:Go デモモード

macOS および Windows 用の Moku:Go アプリは、Liquid Instruments からダウンロードできます。 ウェブサイト。デモ モードはハードウェアを必要とせずに動作し、Moku:Go の使用方法の概要をわかりやすく示します。

ご質問等ございますか？印刷可能なバージョンが必要ですか？

support@liquidinstruments.comまでご連絡ください。