Condensadores en circuitos electrónicos.

En artículos anteriores, hablamos brevemente sobre el funcionamiento de los condensadores en los circuitos de CA, cómo y por qué los condensadores pasan la corriente de CA (ver - Condensadores de corriente alterna) En este caso, los condensadores no se calientan, no se les asigna energía: en una media onda de la sinusoide, el condensador se carga, y en la otra, se descarga naturalmente, mientras transfiere la energía almacenada de regreso a la fuente de corriente.

Este método de pasar corriente le permite llamar al condensador una resistencia libre, y es por eso que el condensador conectado a la salida no hace girar el contador. Y todo esto se debe a que la corriente en el condensador se adelanta exactamente a 1/4 del tiempo que se le aplica el voltaje.

Pero este avance de fase hace posible no solo "engañar" al contador, sino que también permite crear varios circuitos, por ejemplo, generadores de señales sinusoidales y rectangulares, retardos de tiempo y varios filtros de frecuencia.

En el proceso de esta historia, será necesario recordar a veces lo que ya se ha dicho antes, por así decirlo, para resumir. Esto ayudará a no volver a artículos anteriores para recordar una fórmula simple, o simplemente, "¿qué es?"

Conexión en paralelo y en serie de condensadores

Con una conexión paralela de condensadores, la capacidad total es simplemente la suma aritmética de las capacidades. Naturalmente, con esta inclusión, la capacitancia total será mayor que la capacidad del capacitor más grande. Ctotal = C1 + C2 + C3 + ... + Cn.

En el caso de una conexión en serie, la capacidad total es menor que la de la más pequeña.

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

Cuando se conectan dos capacitores idénticos en serie, la capacitancia total será igual a la mitad de la capacitancia de uno: por ejemplo, cuando se conectan dos capacitores de 1 µF cada uno, la capacitancia total será 0.5 µF.

Capacitancia Xc

Aquí, todo, como cuando se conectan resistencias, es exactamente lo contrario: una conexión en serie reduce la capacitancia total, mientras que una en paralelo la aumenta. Esta circunstancia no debe olvidarse al conectar condensadores, ya que un aumento en la capacitancia conduce a una disminución en la capacitancia Xc

Xc = 1/2 * π * f * C.

Desde el punto de vista de las matemáticas, esto es bastante natural, porque la capacidad C está en el denominador de la fracción. Por cierto, la frecuencia f está en el mismo lugar, por lo que un aumento en la frecuencia también conduce a una disminución en la capacitancia Xc. El significado físico de esto es que a través del mismo condensador es mejor, más sin obstáculos, que pasen las frecuencias altas. Esto se discutirá un poco más tarde, cuando se trata de los filtros de paso bajo y paso alto.

Si tomamos un condensador con una capacidad de 1 μF, entonces para una frecuencia de 60 Hz, su Xc será de 2653 ohmios, y para una frecuencia de 400 Hz, el mismo condensador tiene un Xc de solo 398 ohmios. Aquellos que lo deseen pueden verificar estos resultados mediante la fórmula, sustituyendo π = 3.14, la frecuencia en hercios y la capacitancia en faradios. Entonces el resultado estará en ohmios. ¡Todo debe cumplir con el sistema SI!

Pero los condensadores se usan no solo como resistencias de amortiguación de amortiguación libre o en filtros rectificadores. Sin su participación, circuitos para generadores de baja y alta frecuencia, varios convertidores de forma de onda, circuitos diferenciadores e integradores, amplificadores y otros esquemas.

A continuación, se considerarán varias señales eléctricas con las que los condensadores deben trabajar. En primer lugar, estas son señales periódicas adecuadas para la observación con osciloscopio.

Periodo y frecuencia de oscilaciones

La oscilación periódica, por lo tanto, se llama periódica, que, sin cesar, repite la misma forma, por ejemplo, una oscilación sinusoidal. La duración de este swing completo se llama precisamente el período T, y se mide en segundos, milisegundos, microsegundos.La electrónica moderna incluso trata con nanosegundos (una milmillonésima de segundo).

El número de períodos por segundo se llama frecuencia (con qué frecuencia) de las oscilaciones f, y se expresa en hertzios. 1Hz es la frecuencia a la que se realiza una oscilación, un período completo, en 1 segundo. La relación del período y la frecuencia se expresa mediante la fórmula simple T = 1 / f.

En consecuencia, conociendo el período de oscilación, es muy simple calcular la frecuencia f = 1 / T.

Así se calcula la frecuencia al medir con un osciloscopio: se calcula el número de celdas en un período, se multiplica por la duración de una celda, y el período se obtiene, por ejemplo, en microsegundos. Y para averiguar la frecuencia, simplemente usaron la última fórmula.

Ordinario osciloscopio electrónico Le permite observar solo señales periódicas que se pueden sincronizar con la frecuencia de barrido para obtener una imagen fija adecuada para la investigación. Si envía una señal a un programa de música a la entrada del osciloscopio, no podrá detener la imagen para nada. Para observar tales señales, se utilizan osciloscopios de almacenamiento.

Cuando un período se mide en milisegundos, la frecuencia se obtiene en kilohercios, durante un período medido en microsegundos, la frecuencia ya se expresa en megahercios. Esto es si no sigue los requisitos del sistema SI: período en segundos, frecuencia en hercios.

Vibraciones no sinusoidales

Como se mencionó anteriormente, una onda sinusoidal es la más común y adecuada para el estudio y el uso práctico de la curva periódica. En condiciones industriales, se obtiene utilizando generadores eléctricos, por ejemplo, en centrales hidroeléctricas. En dispositivos electrónicos, se utilizan vibraciones de las más diversas formas.

Básicamente, estas son tres formas: sinusoidal, rectangular y triangular, como se muestra en la Figura 1. Tanto la corriente como el voltaje pueden tener esa forma, por lo tanto, la figura muestra solo el eje de tiempo, el eje de ordenadas se deja sin nombre.

Dichas oscilaciones son generadas por circuitos electrónicos especiales. Las señales rectangulares y triangulares a menudo se llaman pulsadas. Sin embargo, hay muchos circuitos electrónicos que realizan conversión de señal: por ejemplo, un rectángulo, un triángulo se puede hacer de una sinusoide.

Figura 1

Para las tres señales, la figura muestra dos períodos, todas las señales tienen la misma frecuencia.

Espectro de señales no sinusoidales

Cualquier señal eléctrica puede representarse como una medida de la amplitud en algún momento. La frecuencia de estas muestras se llama frecuencia de muestreo, y al menos dos veces mayor que la frecuencia superior de la señal medida. Luego, a partir de estas muestras, puede restaurar la señal original. Este método se usa, por ejemplo, en la grabación de sonido digital. Este método también se llama análisis de tiempo.

Otro método supone que cualquier señal, incluso una rectangular, puede representarse como la suma algebraica de sinusoides con diferentes frecuencias y fases. Este método se llama análisis de frecuencia. Pero, lo que se dijo "con diferentes frecuencias" no es del todo cierto: los sinusoides constituyentes se llaman armónicos y sus frecuencias obedecen ciertas leyes.

Una onda sinusoidal cuya frecuencia es igual a la frecuencia de una onda cuadrada se llama fundamental o primer armónico. Los armónicos pares se obtienen multiplicando la frecuencia fundamental por un número par, y los armónicos impares, respectivamente, por impares.

Por lo tanto, si el primer armónico tiene una frecuencia de 1000 Hz, entonces el segundo es de 2000 Hz, el cuarto es de 4000 Hz, etc. Los armónicos impares tendrán frecuencias de 3000Hz, 5000Hz. Además, cada armónico tiene una amplitud menor que la principal: cuanto mayor sea el armónico, menor será la amplitud.

En música, los armónicos se llaman armónicos. Son ellos quienes forman el timbre del sonido, hacen posible distinguir el violín del piano y la guitarra del saxofón. No permiten confundir la voz masculina y femenina ni distinguir a Petrov de Ivanov. Y solo la sinusoide misma ya no se puede descomponer o ensamblar a partir de ninguna señal.

La figura 2 muestra la construcción de un pulso rectangular.

Figura 2

Los armónicos primero y tercero se muestran en la parte superior de la figura. Es fácil ver que en un período del primer armónico tres períodos del tercer paso. En este caso, la amplitud del tercer armónico es un tercio del primero. La suma de los armónicos primero y tercero también se muestra aquí.

A continuación, junto con la suma de 1 y 3 armónicos, se muestran otros 5 armónicos: durante un período de una señal rectangular, logra hacer exactamente cinco períodos. En este caso, su amplitud es aún más pequeña, más precisamente, exactamente 1/5 de la principal (primera). Pero no se debe pensar que todo termina en el quinto armónico: simplemente no se puede mostrar en la figura, de hecho, hay mucho más.

La formación de señales de diente de sierra y triangulares, que se muestra en la Figura 3, es algo más complicada: si en el caso anterior solo participaron armónicos impares, entonces los armónicos pares entran en juego.

Figura 3

Por lo tanto, podemos afirmar el hecho de que con la ayuda de muchos armónicos se sintetiza una señal de cualquier forma, y ​​el número y el tipo de armónicos dependen de la forma de onda, como se muestra en las Figuras 2 y 3.

Al reparar y configurar equipos electrónicos, se utiliza un osciloscopio para estudiar señales eléctricas. Le permite considerar la forma de las señales periódicas, su amplitud, medir el período de repetición. Pero los armónicos que se muestran en las Figuras 2 y 3 no se pueden ver.

Incluso si conecta, por ejemplo, una guitarra eléctrica a un osciloscopio, tira de una cuerda, aparece una sinusoide en la pantalla, es el primer armónico. En este caso, no se puede hablar de sobretonos. La misma sinusoide resultará si sopla en la tubería o flauta frente al micrófono.

Cómo obtener impulsos rectangulares

Después de familiarizarnos con las señales eléctricas, necesitamos recordar los condensadores con los que comenzó el artículo. En primer lugar, debe familiarizarse con uno de los circuitos electrónicos clásicos: multivibrador, (Figura 4) es él quien genera pulsos rectangulares. El circuito es tan clásico que comienza a funcionar de inmediato sin requerir ninguna configuración o ajuste.

Figura 4

El multivibrador es un amplificador de dos etapas, cubierto por retroalimentación positiva. Si las resistencias de carga del colector R1 = R4, las resistencias base R2 = R3 son iguales y los condensadores C1 = C2 son iguales, el multivibrador se llama simétrico y genera pulsos de onda cuadrada del tipo meandro: la duración del pulso es igual a la duración de la pausa.

El ciclo de trabajo de tales pulsos (la relación del período a la duración del pulso) es igual a dos. En los esquemas en inglés, todo es exactamente lo contrario: lo llaman ciclo de trabajo. Se calcula como la relación entre la duración del pulso y el período de su sucesión y se expresa como un porcentaje. Por lo tanto, para el meandro, el ciclo de trabajo es del 50%.

¿Es correcta la computadora?

El nombre multivibrador fue propuesto por el físico holandés van der Pol, ya que el espectro de una señal rectangular contiene muchos armónicos. Puede verificar esto si puede colocar un receptor de radio que funcione en el rango de onda media cerca de un multivibrador que funcione incluso a una frecuencia de audio: los altavoces emitirán aullidos. Esto sugiere que, además de la frecuencia de sonido, el multivibrador también emite oscilaciones de alta frecuencia.

Para determinar la frecuencia de generación, se puede usar la fórmula f = 700 / (C1 * R2).

Con esta forma de fórmula, la capacitancia del capacitor en microfaradios (μF), la resistencia en kiloohmios (KΩ), el resultado en hertz (Hz). Por lo tanto, la frecuencia está determinada por la constante de tiempo del circuito C1 * R2; las cargas del colector no afectan la frecuencia. Si tomamos C1 = 0.02 μF, R2 = 39 KΩ, entonces obtenemos f = 700 / (0.02 * 39) = 897.4 Hz.

Multivibrador en la era de las computadoras y microcontroladores Según este esquema, casi nunca se usa, aunque puede ser adecuado para varios experimentos. En primer lugar, usando computadoras. Así es como se ve el circuito multivibrador ensamblado en el programa Multisim. La conexión del osciloscopio también se muestra aquí.

Figura 5

En este circuito, los condensadores y resistencias se instalan como en el ejemplo anterior. La tarea es verificar el cálculo de acuerdo con la fórmula si se obtendrá la misma frecuencia. Para hacer esto, mida el período de los pulsos y luego vuelva a calcularlos en frecuencia. El resultado del osciloscopio Multisim se muestra en la Figura 6.

Figura 6

Algunas aclaraciones a la Figura 6.

En la pantalla del osciloscopio, el pulso rojo muestra los pulsos en el colector del transistor y el azul en las bases. Debajo de la pantalla en una gran ventana blanca, los números muestran los resultados de la medición. Estamos interesados ​​en la columna "Tiempo". El tiempo se mide mediante los indicadores T1 y T2 (triángulos rojo y azul sobre la pantalla).

Por lo tanto, el período de repetición de pulso T2-T1 = 1.107 ms se muestra con bastante precisión. Solo queda calcular la frecuencia f = 1 / T = 1 / 1.107 * 1000 = 903Hz.

El resultado es casi el mismo que en el cálculo de acuerdo con la fórmula, que se da un poco más alto.

Los condensadores se pueden usar no solo por separado: en combinación con resistencias, le permiten simplemente crear varios filtros o crear circuitos de cambio de fase. Pero esto se discutirá en el próximo artículo.

Continuación del artículo: Condensadores en circuitos electrónicos. Parte 2

Boris Aladyshkin