Πυκνωτές σε ηλεκτρονικά κυκλώματα

Σε προηγούμενα άρθρα, συζητήσαμε εν συντομία για τη λειτουργία πυκνωτών σε κυκλώματα εναλλασσόμενου ρεύματος, πώς και γιατί οι πυκνωτές περνούν το ρεύμα AC (βλ. Πυκνωτές AC) Σε αυτήν την περίπτωση, οι πυκνωτές δεν θερμαίνονται, η ισχύς δεν τους κατανέμεται: σε ένα μισό κύμα του ημιτονοειδούς, ο πυκνωτής φορτίζει και στην άλλη φυσικά εκφορτώνεται, μεταφέροντας την αποθηκευμένη ενέργεια πίσω στην πηγή ρεύματος.

Αυτή η μέθοδος διέλευσης ρεύματος σας επιτρέπει να καλέσετε τον πυκνωτή μια ελεύθερη αντίσταση και αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο ο πυκνωτής που είναι συνδεδεμένος στην έξοδο δεν κάνει τον περιστροφικό περιστροφέα. Και όλα αυτά οφείλονται στο γεγονός ότι το ρεύμα στον πυκνωτή βρίσκεται μπροστά από ακριβώς το 1/4 του χρόνου που η τάση έχει εφαρμοστεί σε αυτόν.

Αλλά αυτή η προκαθορισμένη φάση καθιστά εφικτό όχι μόνο να "ξεγελάσει" τον μετρητή, αλλά και να δημιουργήσει διάφορα κυκλώματα, για παράδειγμα, γεννήτριες ημιτονοειδών και ορθογώνων σημάτων, χρονικές καθυστερήσεις και διάφορα φίλτρα συχνότητας.

Στη διαδικασία αυτής της ιστορίας, θα πρέπει να θυμηθούμε μερικές φορές τι έχει ήδη ειπωθεί προηγουμένως, για να μιλήσουμε, να συνοψίσουμε. Αυτό θα βοηθήσει να μην επιστρέψουμε σε προηγούμενα άρθρα για να θυμηθούμε μια απλή φόρμουλα, ή απλά, "τι είναι αυτό;"

Παράλληλη και σειρά σύνδεσης των πυκνωτών

Με μια παράλληλη σύνδεση πυκνωτών, η συνολική χωρητικότητα είναι απλώς το αριθμητικό άθροισμα των δυνατοτήτων. Φυσικά, με αυτή τη συμπερίληψη, η συνολική χωρητικότητα θα είναι μεγαλύτερη από την χωρητικότητα του μεγαλύτερου πυκνωτή. Ctotal = C1 + C2 + C3 + ... + Cn.

Σε περίπτωση σύνδεσης σειράς, η συνολική χωρητικότητα είναι μικρότερη από αυτή του μικρότερου.

1 / Ctotal = 1 / C1 + 1 / C2 + 1 / C3 + ... + 1 / Cn.

Όταν δύο ταυτόσημοι πυκνωτές συνδέονται σε σειρά, η συνολική χωρητικότητα θα είναι ίση με το μισό της χωρητικότητας ενός: για παράδειγμα, όταν συνδέονται δύο πυκνωτές 1 μF έκαστος, η συνολική χωρητικότητα θα είναι 0,5 μF.

Χωρητικότητα Xc

Εδώ, όλα, όπως όταν συνδέονται αντιστάσεις, είναι ακριβώς το ακριβώς αντίθετο: μια σειρά σύνδεσης μειώνει τη συνολική χωρητικότητα, ενώ παράλληλη αυξάνει. Αυτή η περίσταση δεν πρέπει να λησμονούμε όταν συνδέουμε πυκνωτές, καθώς η αύξηση της χωρητικότητας οδηγεί σε μείωση της χωρητικότητας Xc

Xc = 1/2 * π * f * C.

Από την άποψη των μαθηματικών, αυτό είναι φυσικό, επειδή η χωρητικότητα C είναι στον παρονομαστή του κλάσματος. Παρεμπιπτόντως, η συχνότητα f είναι στην ίδια θέση, έτσι μια αύξηση της συχνότητας οδηγεί επίσης σε μείωση της χωρητικότητας Χο. Το φυσικό νόημα αυτού είναι ότι μέσω του ίδιου πυκνωτή είναι καλύτερα, πιο απρόσκοπτα, να περάσουν οι υψηλές συχνότητες. Αυτό θα συζητηθεί λίγο αργότερα, όταν πρόκειται για τα φίλτρα χαμηλής διέλευσης και υψηλής διέλευσης.

Εάν πάρουμε έναν πυκνωτή χωρητικότητας 1 μF, τότε για μια συχνότητα 60 Hz το Xc θα είναι 2653 Ohms, και για μια συχνότητα 400 Hz ο ίδιος πυκνωτής έχει ένα Xc μόνο 398 Ohms. Όσοι επιθυμούν μπορούν να ελέγξουν αυτά τα αποτελέσματα με τον τύπο, υποκαθιστώντας π = 3,14, τη συχνότητα σε hertz, και την χωρητικότητα σε farads. Τότε το αποτέλεσμα θα είναι σε ohms. Όλα πρέπει να συμμορφώνονται με το σύστημα SI!

Αλλά οι πυκνωτές χρησιμοποιούνται όχι μόνο ως αντιστάσεις απόσβεσης ελεύθερης απόσβεσης ή σε φίλτρα ανορθωτή. Χωρίς τη συμμετοχή τους, κυκλώματα για γεννήτριες χαμηλής και υψηλής συχνότητας, διάφορους μετατροπείς κυματομορφών, κυκλώματα διαφοροποίησης και ολοκλήρωσης, ενισχυτές και άλλα συστήματα.

Στη συνέχεια, θα ληφθούν υπόψη διάφορα ηλεκτρικά σήματα με τα οποία πρέπει να δουλέψουν πυκνωτές. Πρώτα απ 'όλα, αυτά είναι περιοδικά σήματα κατάλληλα για παρατήρηση με παλμογράφο.

Περίοδος και συχνότητα των ταλαντώσεων

Συνεπώς, μια περιοδική ταλάντωση ονομάζεται περιοδική, η οποία, χωρίς διακοπή, επαναλαμβάνει την ίδια μορφή, για παράδειγμα, μία ημιτονοειδή ταλάντωση. Η διάρκεια αυτής της πλήρους ταλάντευσης ονομάζεται ακριβώς η περίοδος Τ, και μετράται σε δευτερόλεπτα, χιλιοστά του δευτερολέπτου, μικροδευτερόλεπτα.Τα σύγχρονα ηλεκτρονικά συστήματα ασχολούνται ακόμη και με νανοδευτερόλεπτα (ένα δισεκατομμύριο δευτερολέπτου).

Ο αριθμός περιόδων ανά δευτερόλεπτο ονομάζεται συχνότητα (πόσο συχνά) των ταλαντώσεων f, και εκφράζεται σε hertz. 1Hz είναι η συχνότητα με την οποία πραγματοποιείται μία ταλάντωση, μία πλήρης περίοδος, σε 1 δευτερόλεπτο. Η αναλογία της περιόδου και της συχνότητας εκφράζεται από τον απλό τύπο T = 1 / f.

Συνεπώς, γνωρίζοντας την περίοδο ταλάντωσης, είναι πολύ απλός ο υπολογισμός της συχνότητας f = 1 / T.

Αυτός είναι ο τρόπος με τον οποίο υπολογίζεται η συχνότητα κατά τη μέτρηση με παλμογράφο: ο αριθμός των κυττάρων σε μια περίοδο υπολογίζεται πολλαπλασιασμένος με τη διάρκεια ενός κυττάρου και η περίοδος λαμβάνεται, για παράδειγμα, σε μικροδευτερόλεπτα. Και για να μάθουν τη συχνότητα, χρησιμοποίησαν απλώς τον τελευταίο τύπο.

Συνήθεις ηλεκτρονικό παλμογράφο Σας επιτρέπει να παρατηρείτε μόνο περιοδικά σήματα που μπορούν να συγχρονιστούν με τη συχνότητα σάρωσης για να αποκτήσετε μια ακίνητη εικόνα κατάλληλη για έρευνα. Αν το σήμα ενός μουσικού προγράμματος αποστέλλεται στην είσοδο του παλμογράφου, τότε δεν θα μπορέσετε να σταματήσετε την εικόνα για τίποτα. Για να παρατηρηθούν τέτοια σήματα, χρησιμοποιούνται παλμογράφοι αποθήκευσης.

Όταν μια περίοδος μετράται σε χιλιοστά του δευτερολέπτου, η συχνότητα λαμβάνεται σε kilohertz, για μια περίοδο που μετράται σε μικροδευτερόλεπτα, η συχνότητα εκφράζεται ήδη σε megahertz. Αυτό συμβαίνει εάν δεν ακολουθείτε τις απαιτήσεις του συστήματος SI: περίοδος σε δευτερόλεπτα, συχνότητα σε hertz.

Μη-ημιτονοειδείς δονήσεις

Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, ένα ημιτονοειδές κύμα είναι το πιο κοινό και κατάλληλο για μελέτη και πρακτική χρήση της περιοδικής καμπύλης. Στις βιομηχανικές συνθήκες, λαμβάνεται με τη χρήση ηλεκτρικών γεννητριών, για παράδειγμα, σε υδροηλεκτρικούς σταθμούς. Σε ηλεκτρονικές συσκευές, χρησιμοποιούνται κραδασμοί από τα πιο διαφορετικά σχήματα.

Βασικά, αυτές είναι τρεις μορφές: ημιτονοειδείς, ορθογώνιες και τριγωνικές, όπως φαίνεται στο Σχήμα 1. Τόσο το ρεύμα όσο και η τάση μπορούν να έχουν τέτοιο σχήμα, επομένως, το σχήμα δείχνει μόνο τον άξονα του χρόνου, ο άξονας της γραμμής παραμένει χωρίς όνομα.

Τέτοιες ταλαντώσεις δημιουργούνται από ειδικά ηλεκτρονικά κυκλώματα. Τα ορθογώνια και τριγωνικά σήματα καλούνται συχνά παλμικά. Ωστόσο, υπάρχουν πολλά ηλεκτρονικά κυκλώματα που πραγματοποιούν μετατροπή σήματος: για παράδειγμα, ένα ορθογώνιο, ένα τρίγωνο μπορεί να γίνει από ένα ημιτονοειδές.

Σχήμα 1

Και για τα τρία σήματα, το σχήμα δείχνει δύο περιόδους, όλα τα σήματα έχουν την ίδια συχνότητα.

Φάσμα μη ημιτονοειδών σημάτων

Οποιοδήποτε ηλεκτρικό σήμα μπορεί να αναπαριστάται ως μέτρηση του εύρους σε κάποιο χρονικό σημείο. Η συχνότητα αυτών των δειγμάτων ονομάζεται συχνότητα δειγματοληψίας και τουλάχιστον δύο φορές υψηλότερη από την ανώτερη συχνότητα του μετρούμενου σήματος. Στη συνέχεια, από αυτά τα δείγματα, μπορείτε να επαναφέρετε το αρχικό σήμα. Αυτή η μέθοδος χρησιμοποιείται, για παράδειγμα, στην ψηφιακή εγγραφή ήχου. Αυτή η μέθοδος ονομάζεται επίσης ανάλυση χρόνου.

Μια άλλη μέθοδος υποθέτει ότι οποιοδήποτε σήμα, ακόμη και ένα ορθογώνιο, μπορεί να αναπαρασταθεί ως το αλγεβρικό άθροισμα των ημιτονοειδών με διαφορετικές συχνότητες και φάσεις. Αυτή η μέθοδος ονομάζεται ανάλυση συχνότητας. Αλλά, αυτό που λέγεται "με διαφορετικές συχνότητες" δεν είναι εξ ολοκλήρου αληθές: τα συνιστώμενα ημιτονοειδή καλούνται αρμονικές και η συχνότητά τους υπακούει σε ορισμένους νόμους.

Ένα ημιτονοειδές κύμα της οποίας η συχνότητα είναι ίσο με τη συχνότητα ενός τετραγωνικού κύματος ονομάζεται θεμελιώδης ή πρώτη αρμονική. Ακόμη και οι αρμονικές επιτυγχάνονται με τον πολλαπλασιασμό της θεμελιώδους συχνότητας με έναν ζυγό αριθμό και με τις περίεργες αρμονικές, αντίστοιχα, με το περίεργο.

Έτσι, εάν η πρώτη αρμονική έχει συχνότητα 1000 Hz, τότε η δεύτερη είναι 2000 Hz, η τέταρτη είναι 4000 Hz, κλπ. Οι μονές αρμονικές θα έχουν συχνότητες 3000Hz, 5000Hz. Επιπλέον, κάθε αρμονική είναι μικρότερη σε πλάτος από την κύρια: όσο υψηλότερη είναι η αρμονική, τόσο μικρότερο είναι το πλάτος.

Στη μουσική, οι αρμονικές ονομάζονται υπερτονισμούς. Είναι αυτοί που σχηματίζουν το στύλο του ήχου, καθιστούν δυνατή τη διάκριση του βιολιού από το πιάνο και της κιθάρας από το σαξόφωνο. Δεν επιτρέπουν να συγχέουν την αρσενική και θηλυκή φωνή ή να διακρίνουν τον Petrov από τον Ivanov. Και μόνο το ίδιο το ημιτονοειδές δεν μπορεί πλέον να αποσυντεθεί ή να συναρμολογηθεί από οποιαδήποτε σήματα.

Το σχήμα 2 δείχνει την κατασκευή ενός ορθογώνιου παλμού.

Σχήμα 2

Η πρώτη και η τρίτη αρμονική φαίνονται στο πάνω μέρος του σχήματος. Είναι εύκολο να δούμε ότι σε μια περίοδο της πρώτης αρμονικής τρεις περιόδους του τρίτου περάσματος. Σε αυτή την περίπτωση, το πλάτος της τρίτης αρμονικής είναι το ένα τρίτο του πρώτου. Το άθροισμα των πρώτων και τρίτων αρμονικών φαίνεται επίσης εδώ.

Παρακάτω, μαζί με το άθροισμα των 1 και 3 αρμονικών, εμφανίζονται άλλες 5 αρμονικές: για μια περίοδο ορθογώνιου σήματος καταφέρνει να κάνει ακριβώς πέντε περιόδους. Σε αυτή την περίπτωση, το εύρος του είναι ακόμα μικρότερο, ακριβέστερα, ακριβώς το 1/5 του κύριου (πρώτου). Αλλά δεν πρέπει να σκεφτόμαστε ότι όλα τελειώνουν στην πέμπτη αρμονική: απλά δεν μπορεί να φανεί στο σχήμα, στην πραγματικότητα υπάρχουν πολλά περισσότερα.

Ο σχηματισμός πριονωτών και τριγωνικών σημάτων, όπως φαίνεται στο Σχήμα 3, είναι κάπως πιο περίπλοκος. Αν στην προηγούμενη περίπτωση συμμετείχαν μόνο περίεργες αρμονικές, έρχονται ακόμη σε εφαρμογή αρμονικές.

Σχήμα 3

Έτσι, μπορούμε να δηλώσουμε ότι με τη βοήθεια πολλών αρμονικών συντίθεται ένα σήμα οποιουδήποτε σχήματος και ο αριθμός και ο τύπος των αρμονικών εξαρτώνται από την κυματομορφή, όπως φαίνεται στα Σχήματα 2 και 3.

Κατά την επισκευή και την εγκατάσταση ηλεκτρονικού εξοπλισμού, χρησιμοποιείται ένας παλμογράφος για τη μελέτη ηλεκτρικών σημάτων. Σας επιτρέπει να εξετάσετε τη μορφή των περιοδικών σημάτων, το εύρος τους, να μετρήσετε την περίοδο επανάληψης. Αλλά οι αρμονικές που φαίνονται στα Σχήματα 2 και 3 δεν μπορούν να φανούν.

Ακόμη και αν συνδέσετε, για παράδειγμα, μια ηλεκτρική κιθάρα σε έναν παλμογράφο, τραβήξετε μια χορδή, εμφανίζεται ένα ημιτονοειδές στην οθόνη, είναι επίσης η πρώτη αρμονική. Σε αυτή την περίπτωση, δεν μπορούμε να μιλάμε για οποιουσδήποτε λόγους. Το ίδιο ημιτονοειδές θα προκύψει εάν φυσήξετε στον σωλήνα ή φλάουτο μπροστά από το μικρόφωνο.

Πώς να πάρετε ορθογώνια ώθηση

Αφού εξοικειωθούμε με ηλεκτρικά σήματα, πρέπει να ανακαλέσουμε τους πυκνωτές με τους οποίους ξεκίνησε το άρθρο. Πρώτα απ 'όλα, θα πρέπει να εξοικειωθείτε με ένα από τα κλασικά κυκλώματα ηλεκτρονικών - multivibrator, (Εικόνα 4) είναι αυτός που παράγει ορθογώνια παλμούς. Το κύκλωμα είναι τόσο κλασικό ώστε να αρχίζει να λειτουργεί αμέσως χωρίς να χρειάζεται ρυθμίσεις ή ρυθμίσεις.

Σχήμα 4

Ο πολυβιβαστής είναι ένας ενισχυτής δύο σταδίων, ο οποίος καλύπτεται από θετική ανατροφοδότηση. Εάν οι αντιστάσεις φορτίου συλλέκτη R1 = R4, οι αντιστάσεις βάσης R2 = R3 και οι πυκνωτές C1 = C2 είναι ίσες, ο πολυβυθρωτής ονομάζεται συμμετρικός και παράγει παλμούς τετραγωνικού κύματος του τύπου meander - η διάρκεια παλμού είναι ίση με τη διάρκεια παύσης.

Ο κύκλος λειτουργίας τέτοιων παλμών (ο λόγος της περιόδου έως τη διάρκεια του παλμού) είναι ίσος με δύο. Στα προγράμματα αγγλικής γλώσσας, όλα είναι ακριβώς το αντίθετο: το αποκαλούν κύκλωμα καθήκοντος. Υπολογίζεται ως ο λόγος της διάρκειας της παλμού με την περίοδο της διαδοχής της και εκφράζεται ως ποσοστό. Έτσι, για το μαιάνδρος, ο κύκλος λειτουργίας είναι 50%.

Είναι σωστός ο υπολογιστής;

Το όνομα multivibrator προτάθηκε από τον ολλανδικό φυσικό van der Pol, επειδή το φάσμα ενός ορθογώνιου σήματος περιέχει πολλές αρμονικές. Μπορείτε να το επιβεβαιώσετε αν μπορείτε να τοποθετήσετε ένα ραδιοφωνικό δέκτη που λειτουργεί σε μεσαία κυματομορφή κοντά σε έναν multivibrator που λειτουργεί ακόμα και σε μια ηχητική συχνότητα: οι vorls θα προέρχονται από το ηχείο. Αυτό υποδηλώνει ότι επιπλέον της ηχητικής συχνότητας, ο πολυβιβαστής εκπέμπει επίσης ταλαντώσεις υψηλής συχνότητας.

Για να προσδιοριστεί η συχνότητα παραγωγής, μπορεί κανείς να χρησιμοποιήσει τον τύπο f = 700 / (C1 * R2).

Με αυτή τη μορφή του τύπου, η χωρητικότητα του πυκνωτή σε μικροδιακόπτες (μF), η αντίσταση σε kilo-ohms (KΩ), το αποτέλεσμα σε hertz (Hz). Έτσι, η συχνότητα καθορίζεται από τη χρονική σταθερά του κυκλώματος C1 * R2, τα φορτία του συλλέκτη δεν επηρεάζουν τη συχνότητα. Αν παίρνουμε C1 = 0,02 μF, R2 = 39 KΩ, τότε παίρνουμε f = 700 / (0.02 * 39) = 897.4 Hz.

Multivibrator στην εποχή των υπολογιστών και των υπολογιστών μικροελεγκτές Σύμφωνα με αυτό το σχήμα, σχεδόν ποτέ δεν χρησιμοποιείται, αν και μπορεί να είναι κατάλληλο για διάφορα πειράματα. Πρώτα απ 'όλα, χρησιμοποιώντας υπολογιστές. Έτσι φαίνεται το κύκλωμα πολλών βιντεοπαρακτωτών που συναρμολογείται στο πρόγραμμα Multisim. Η σύνδεση του παλμογράφου φαίνεται επίσης εδώ.

Σχήμα 5

Σε αυτό το κύκλωμα εγκαθίστανται πυκνωτές και αντιστάσεις όπως στο προηγούμενο παράδειγμα. Ο στόχος είναι να ελέγξετε τον υπολογισμό σύμφωνα με τον τύπο εάν θα επιτευχθεί η ίδια συχνότητα. Για να το κάνετε αυτό, μετρήστε την περίοδο των παλμών και στη συνέχεια επανυπολογίστε τους σε συχνότητα. Το αποτέλεσμα του παλμογράφου Multisim φαίνεται στο σχήμα 6.

Σχήμα 6

Μερικές διευκρινίσεις στο σχήμα 6.

Στην οθόνη παλμογράφου, ο κόκκινος παλμός δείχνει τους παλμούς στον συλλέκτη τρανζίστορ και το μπλε στις βάσεις. Κάτω από την οθόνη σε ένα μεγάλο λευκό παράθυρο, οι αριθμοί δείχνουν τα αποτελέσματα μέτρησης. Μας ενδιαφέρει η στήλη "Ώρα". Ο χρόνος μετράται με τους δείκτες Τ1 και Τ2 (κόκκινα και μπλε τρίγωνα πάνω από την οθόνη).

Επομένως, η περίοδος επανάληψης παλμών Τ2-Τ1 = 1.107ms φαίνεται με ακρίβεια. Απομένει μόνο να υπολογιστεί η συχνότητα f = 1 / T = 1 / 1.107 * 1000 = 903Hz.

Το αποτέλεσμα είναι σχεδόν το ίδιο όπως και στον υπολογισμό σύμφωνα με τον τύπο, ο οποίος δίνεται λίγο υψηλότερος.

Οι πυκνωτές μπορούν να χρησιμοποιηθούν όχι μόνο χωριστά: σε συνδυασμό με αντιστάσεις, σας επιτρέπουν απλά να δημιουργήσετε διάφορα φίλτρα ή να δημιουργήσετε κυκλώματα αλλαγής φάσης. Αλλά αυτό θα συζητηθεί στο επόμενο άρθρο.

Συνέχεια του άρθρου: Πυκνωτές σε ηλεκτρονικά κυκλώματα. Μέρος 2

Μπόρις Αλαντίσκιν