Конденсаторы в электронных схемах
Конденсаторы в электронных схемах
В предыдущей статье кратко рассмотрен принцип работы конденсаторов в цепях переменного тока, как и почему конденсаторы пропускают переменный ток (см. — Конденсаторы в цепях переменного тока). При этом конденсатор не нагревается и в нем не выделяется мощность: в течение одного полупериода синусоиды конденсатор заряжается, а в другой полупериод конденсатор естественным образом разряжается, высвобождая накопленную энергию обратно в текущий источник.
Этот метод протекания тока приводит к тому, что конденсатор называют бесваттным резистором, поэтому конденсатор, подключенный к розетке, не вызывает вращение счетчика. Все это происходит потому, что ток в конденсаторе опережает ровно 1/4 периода приложенного к нему напряжения.
Но этот сдвиг фазы не только позволяет «обмануть» счетчики, но и позволяет создавать различные схемы, такие как генераторы синусоидальных и прямоугольных сигналов, задержки времени и различные частотные фильтры.
В ходе этой истории будут моменты, когда вам нужно будет вспомнить сказанное ранее и, так сказать, подвести итог. Это поможет вам не возвращаться к предыдущим статьям только для того, чтобы вспомнить простую формулу или просто «Что это такое»?
Конденсаторы параллельно и последовательно
Когда конденсаторы соединены параллельно, общая емкость представляет собой просто арифметическую сумму емкостей. Разумеется, при таком подключении общая емкость будет больше емкости самого большого конденсатора. Cобщ=C1+C2+C3+…+Cn.
В случае последовательного соединения общая емкость меньше минимальной емкости.
При последовательном соединении двух одинаковых конденсаторов общая емкость будет равна половине одной емкости: например, при соединении двух конденсаторов емкостью 1 мкФ общая емкость составит 0,5 мкФ.
Емкость Хс
Здесь все так же, как и при соединении резисторов, только наоборот: последовательное соединение уменьшает общую емкость, а параллельное ее увеличивает. Эту ситуацию нельзя забывать при подключении конденсаторов, так как увеличение емкости приводит к уменьшению емкости Хс
С математической точки зрения это естественно, поскольку в знаменателе дроби находится емкость С. Кстати, частота f находится в том же положении, поэтому увеличение частоты вызовет и уменьшение емкости Xc. Физический смысл в том, что высокие частоты лучше и беспрепятственно проходят через тот же конденсатор. Мы обсудим это позже, когда будем обсуждать фильтры нижних и верхних частот.
Если взять конденсатор емкостью 1 мкФ, то для частоты 60 Гц его Хс составит 2653 Ом, а для частоты 400 Гц Хс того же конденсатора будет всего 398 Ом. Желающие могут проверить эти результаты по формуле, подставив π = 3,14, частоту в Герцы и емкость в Фарады. Тогда результат будет в Омах. Все должно соответствовать системе СИ!
Но конденсаторы служат не просто бесшумными демпфирующими резисторами или выпрямительными фильтрами. Генераторы низкой и высокой частоты, различные преобразователи формирования сигналов, дифференциальные и интегральные схемы, усилители и другие схемы – все это неотделимо от их участия.
Далее мы рассмотрим различные электрические сигналы, которые должны обрабатывать конденсаторы. Во-первых, это периодические сигналы, пригодные для наблюдения с помощью осциллографа.
Период и частота колебаний
Периодические колебания называются периодическими колебаниями, потому что одна и та же форма продолжает повторяться, например колебание синусоиды. Продолжительность этого полного колебания называется периодом Т и измеряется в секундах, миллисекундах и микросекундах. Современная электроника может обрабатывать даже наносекунды (миллиардные доли секунды).
число циклов в секунду называется частотой (частотой) f колебаний и выражается в Герцах. 1 Гц — это частота одного колебания и одного полного цикла за одну секунду. Связь между периодом и частотой можно выразить простой формулой T=1/f.
поэтому, зная период колебаний, можно легко вычислить частоту f=1/T.
Именно так вы рассчитываете частоту при измерении осциллографом: подсчитываете количество ячеек в одном цикле, умножаете на продолжительность одной ячейки и получаете продолжительность этого цикла, например, в микросекундах. Чтобы найти частоту, мы просто используем последнюю формулу.
Традиционные электронные осциллографы могут наблюдать только периодические сигналы, которые можно синхронизировать с частотой сканирования для получения неподвижных изображений, пригодных для проверки. Если подать на вход осциллографа сигнал из музыкальной программы, остановить изображение уже никогда не получится. Для наблюдения таких сигналов используется запоминающий осциллограф.
Если период указан в миллисекундах, частота указана в килогерцах, когда период указан в микросекундах, частота — в мегагерцах; Это если не соблюдать требования системы СИ: период в секундах, а частота в герцах.
несинусоидальное колебание
Как упоминалось ранее, синусоидальные волны являются наиболее распространенными периодическими кривыми, лучше всего подходящими для изучения и практического использования. В промышленных условиях его получают с помощью генераторов, например, на гидроэлектростанциях. Электронные устройства используют различные формы вибраций.
В основном существует три формы: синусоидальная волна, прямоугольная волна и треугольная волна, как показано на рисунке 1. Такую форму могут иметь как ток, так и напряжение, поэтому на рисунке показана только ось времени, а вертикальная ось не имеет названия.
Читайте также статью: как влюбить в себя коллегу-мужчину
Это колебание создается специальными электронными схемами. Сигналы прямоугольной и треугольной формы часто называют импульсными сигналами. Однако существует немало электронных схем, способных выполнять преобразование сигналов: например, из синусоидальных волн можно сформировать прямоугольники или треугольники.
Для всех трех сигналов на графике показаны два периода; все сигналы имеют одинаковую частоту.
Спектр несинусоидального сигнала
Любой электрический сигнал можно выразить как измерение амплитуды в определенный момент времени. Частота этих выборок называется частотой дискретизации и должна быть как минимум в два раза выше самой высокой частоты измеряемого сигнала. Исходный сигнал затем может быть восстановлен из этих выборок. Например, этот метод используется для цифровой записи звука. Этот метод еще называют временным анализом.
Другой подход предполагает, что любой сигнал, даже прямоугольный, можно представить как алгебраическую сумму синусоид с разными частотами и фазами. Этот метод называется частотным анализом. Но «разные частоты» не совсем верны: составляющие синусоидальной волны называются гармониками, а их частоты подчиняются определенным правилам.
Синусоидальная волна с частотой, равной частоте прямоугольной волны, называется основной волной или первой гармоникой. Четные гармоники — это основная частота, умноженная на четное число, а нечетные гармоники — это основная частота, умноженная на нечетное число.
Итак, если частота первой гармоники равна 1000 Гц, частота второй гармоники — 2000 Гц, частота четвертой гармоники — 4000 Гц и т д., то частоты нечетных гармоник будут 3000 Гц, 5000 Гц. Кроме того, каждая гармоника имеет меньшую амплитуду, чем основная: чем выше гармоника, тем меньше амплитуда.
В музыке гармонии называются обертонами. Они формируют тембр звука и позволяют отличить скрипку от фортепиано, гитару от саксофона. Они не позволяют спутать мужские и женские голоса или отличить Петрова от Иванова. И только саму синусоиду невозможно ни на что разбить или составить из каких-либо сигналов.
На рис. 2 показана структура прямоугольного импульса.
В верхней части диаграммы показаны первая и третья гармоники. Легко видеть, что в пределах одного цикла первой гармоники имеется три цикла третьей гармоники. В этом случае третья гармоника имеет одну треть амплитуды первой гармоники. Здесь также показана сумма первой и третьей гармоник.
Ниже, помимо суммы 1-й и 3-й гармоник, показана еще 5-я гармоника: за период прямоугольного сигнала она успешно совершает ровно 5 циклов. Ее амплитуда еще меньше, точнее 1/5 основной (первой) амплитуды. Но не думайте, что все заканчивается на пятой гармонии: на схеме просто невозможно показать все, на самом деле гораздо больше.
Формирование сигналов пилообразных и треугольных волн (как показано на рисунке 3) немного сложнее. Если в предыдущем случае участвовали только нечетные гармоники, то в игру вступят и четные гармоники.
Следовательно, можно сказать, что с помощью множества гармоник можно синтезировать сигнал любой формы, а количество и тип гармоник зависят от формы сигнала, как показано на рисунках 2 и 3.
Осциллографы используются для исследования электрических сигналов при обслуживании и наладке электронного оборудования. Он позволяет учитывать форму периодических сигналов, их амплитуду, измерять периоды повторения. Но гармоники, показанные на рисунках 2 и 3, не видны.
Например, даже если вы подключите электрогитару к осциллографу и потянете за струну, на экране появится синусоидальная волна, также известная как первая гармоника. В этом случае ни о каком предложении быть не может. Если вы играете на трубе или флейте перед микрофоном, вы получите ту же самую синусоидальную кривую.
Видео: ЗАЧЕМ НУЖНЫ ВСЕ ЭТИ КОНДЕНСАТОРЫ в СХЕМАХ
Как получить прямоугольный импульс
Теперь, когда мы знакомы с электрическими сигналами, нам нужно вспомнить конденсатор, упомянутый в начале этой статьи. Для начала следует ознакомиться с классической электронной схемой — мультивибратором, генерирующим импульсы прямоугольной формы (рисунок 4). Схема очень классическая и начинает работать сразу, без каких-либо настроек и корректировок.
Мультивибратор – это двухкаскадный усилитель с положительной обратной связью. Если сопротивление нагрузки коллектора R1=R4 одинаково, сопротивление базы R2=R3 и конденсатора С1=С2 равны, то мультивибратор называется симметричным и выдает извилистый прямоугольный импульс — длительность импульса равна длительности паузы.
Скважность (отношение периода к длительности импульса) такого импульса равна двум. В английской схеме все с точностью до наоборот: они называют ее рабочим циклом «dutycycle». Он рассчитывается как отношение длительности импульса к периоду его повторения и выражается в процентах. Следовательно, для зигзага рабочий цикл составляет 50%.
Компьютер считает правильно
название «мультивибратор» предложил голландский физик Ван дер Поль, поскольку спектр прямоугольного сигнала содержит множество гармоник. В этом можно убедиться, если разместить радиоприемник, работающий в средневолновом диапазоне, рядом с мультивибратором, работающим даже в звуковом диапазоне частот: в громкоговорителе будет слышен воющий звук. Это показывает, что помимо звуковой частоты мультивибратор излучает и высокочастотные вибрации.
для определения частоты генерации можно использовать формулу f=700/(C1*R2).
По таким формулам емкость конденсатора измеряется в микрофарадах (мкФ), сопротивление – в килоомах (КОм), а результат – в герцах (Гц). Следовательно, частота определяется постоянной времени цепи C1*R2, нагрузка коллектора не влияет на частоту; Если взять C1=0,02 мкФ и R2=39КОм, то получим f=700/(0,02*39)=897,4Гц.
В эпоху компьютеров и микроконтроллеров мультивибраторы по такой схеме практически не использовались, хотя для различных опытов и опытов она, вероятно, пригодилась. Во-первых, используйте компьютер. Вот так выглядит схема мультивибратора, собранная в программе Multisim. Здесь также показаны подключения осциллографа.
На этом рисунке конденсаторы и резисторы установлены так же, как и в предыдущем примере. Задача — проверить, получит ли расчет по формуле ту же частоту. Для этого необходимо измерить период импульса, а затем преобразовать его в частоту. Результаты осциллографа Multisim показаны на рисунке 6.
Некоторые пояснения к рисунку 6.
На экране осциллографа красный луч показывает импульсы на коллекторе транзистора, а синий луч – импульсы на базе. Результаты измерений отображаются в цифровом виде в большом белом окне внизу экрана. Нас интересует столбец «Время». Время измеряется индикаторами Т1 и Т2 (красный и синий треугольники вверху экрана).
Поэтому период повторения импульсов Т2-Т1=1,107мс показан очень точно. Остается только вычислить частоту f=1/T=1/1,107*1000=903Гц.
Результаты практически такие же, как и при расчете по приведенной выше формуле.
Конденсаторы можно использовать не только по отдельности: в сочетании с резисторами очень легко создавать различные фильтры или создавать фазосдвигающие схемы. Но об этом речь пойдет в следующей статье.
- Конденсаторы для электрооборудования переменного тока
- Программирование микроконтроллеров для начинающих
- Конденсаторы: применение, устройства, принципы работы
Надеюсь, эта статья была вам полезна. См также «Электрическая энергия в повседневной жизни и работе» Другие статьи в категории «Практическая электроника
Подписывайтесь на наш Telegram-канал об электронике для профессионалов и любителей: Полезная электроника для повседневного использования
Поделитесь этой статьей с друзьями:
Читайте также статью: Как выбрать генератор для дома: полное руководство
