Kondensaattorit elektronisissa piireissä

Edellisissä artikkeleissa puhuimme lyhyesti kondensaattorien toiminnasta vaihtovirtapiireissä, kuinka ja miksi kondensaattorit läpäisevät vaihtovirtaa (katso - AC-kondensaattorit). Tässä tapauksessa kondensaattorit eivät kuumene, virtaa ei jaeta heille: Yksi puoliaallosta kondensaattori latautuu, ja toisessa se purkautuu luonnollisesti siirtäen varastoituneen energian takaisin virtalähteeseen.

Tämä virran ohitusmenetelmä antaa sinun kutsua kondensaattoriin vapaata vastusta, ja siksi pistorasiaan kytketty kondensaattori ei tee laskurista. Ja tämä kaikki johtuu siitä, että kondensaattorin virta on tarkemmin kuin 1/4 ajasta, jona siihen kohdistetaan jännite.

Mutta tämä vaihesiirto mahdollistaa laskurin "huijaamisen", mutta mahdollistaa myös erilaisten piireiden, esimerkiksi sinimuotoisten ja suorakulmaisten signaalien generaattoreiden, aikaviiveiden ja erilaisten taajuussuodattimien luomisen.

Tämän tarinan prosessin aikana on tarpeen muistaa joskus aiemmin jo sanotut, niin sanoakseni, yhteenveto. Tämä auttaa olemaan palatmatta aiempiin artikkeleihin muistuttaaksesi yksinkertaista kaavaa tai yksinkertaisesti: "mikä se on?"

Kondensaattorien rinnakkais- ja sarjakytkentä

Kondensaattorien rinnakkaisliitännällä kokonaiskapasiteetti on yksinkertaisesti kapasiteettien aritmeettinen summa. Luonnollisesti tällä sisällyttämisellä kokonaiskapasitanssi on suurempi kuin suurimman kondensaattorin kapasiteetti. Ctotal = C1 + C2 + C3 + ... + Cn.

Sarjayhteyden tapauksessa kokonaiskapasiteetti on pienempi kuin pienimmän kapasiteetin.

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

Kun kaksi identtistä kondensaattoria on kytketty sarjaan, kokonaiskapasitanssi on yhtä suuri kuin puolet yhden kapasitanssista: esimerkiksi kytkettäessä kaksi kondensaattoria, joiden molemmat ovat 1 uF, kokonaiskapasitanssi on 0,5 uF.

Kapasitanssi Xc

Tässä kaikki, kuten vastuksia kytkettäessä, on vain päinvastoin: sarjayhteys vähentää kokonaiskapasitanssia, kun taas rinnakkainen lisää sitä. Tätä seikkaa ei pidä unohtaa kondensaattoreita kytkettäessä, koska kapasitanssin kasvu johtaa kapasitanssin Xc laskuun

Xc = 1/2 * π * f * C.

Matematiikan kannalta tämä on aivan luonnollista, koska kapasiteetti C on murto-osan nimittäjänä. Muuten, taajuus f on samassa paikassa, joten taajuuden lisääntyminen johtaa myös kapasitanssin Xc pienenemiseen. Tämän fyysisellä merkityksellä on, että saman kondensaattorin kautta on parempi, esteettömästi, että korkeat taajuudet kulkevat. Tästä keskustellaan vähän myöhemmin, kun kyse on alipäästö- ja ylipäästösuodattimista.

Jos otamme kondensaattorin, jonka kapasiteetti on 1 μF, niin taajuudelle 60 Hz sen Xc on 2653 ohmia ja taajuudelle 400 Hz saman kondensaattorin Xc on vain 398 ohmia. Ne, jotka haluavat, voivat tarkistaa nämä tulokset kaavalla korvaamalla π = 3.14, taajuuden hertseinä ja kapasitanssin faradeissa. Tällöin tulos on ohmeissa. Kaikkien on oltava SI-järjestelmän mukaisia!

Kondensaattoreita ei käytetä pelkästään vaimentavana vaimennusvastuksena tai tasasuodinsuodattimina. Ilman heidän osallistumistaan ​​piirejä matala- ja korkeataajuisille generaattoreille, erilaisille aaltomuodonmuuntajille, erotteleville ja integroiville piireille, vahvistimet ja muut järjestelmät.

Seuraavaksi tarkastellaan erilaisia ​​sähköisiä signaaleja, joiden kanssa kondensaattoreiden on toimittava. Ensinnäkin nämä ovat jaksottaisia ​​signaaleja, jotka soveltuvat tarkkailuun oskilloskoopin.

Värähtelyjen jakso ja taajuus

Jaksollista värähtelyä kutsutaan siksi jaksoittaiseksi, joka toistamatta loppumatta samaa muotoa, esimerkiksi yhden sinimuotoisen värähtelyn. Tämän täyden heilahtelun kestoa kutsutaan tarkalleen ajanjaksoksi T, ja se mitataan sekunteina, millisekuntina, mikrosekuntina.Nykyaikainen elektroniikka käsittelee jopa nanosekuntia (miljardi sekuntia).

Jaksojen lukumäärää sekunnissa kutsutaan värähtelyjen f taajuudeksi (kuinka usein) f ja ilmaistaan ​​hertseinä. 1 Hz on taajuus, jolla yksi värähtely, yksi täysi jakso suoritetaan 1 sekunnissa. Jakson ja taajuuden suhde ilmaistaan ​​yksinkertaisella kaavalla T = 1 / f.

Vastaavasti värähtelyjakson tunteminen on hyvin yksinkertaista laskea taajuus f = 1 / T.

Näin taajuus lasketaan oskilloskoopilla mitattaessa: jakson solujen lukumäärä lasketaan kerrottuna yhden solun kestolla ja jakso saadaan esimerkiksi mikrosekuntina. Ja taajuuden selvittämiseksi he yksinkertaisesti käyttivät viimeistä kaavaa.

tavallinen elektroninen oskilloskooppi Voit tarkkailla vain säännöllisiä signaaleja, jotka voidaan synkronoida pyyhkäisytaajuuden kanssa, jotta saadaan tutkimukselle sopiva pysäytyskuva. Jos lähetät signaalin musiikkiohjelmalle oskilloskoopin tuloon, et voi pysäyttää kuvaa mistään. Tällaisten signaalien tarkkailemiseksi käytetään tallennusoskilloskooppeja.

Kun jakso mitataan millisekunnissa, taajuus saadaan kilohertseinä, mikrosekuntina mitatun ajanjakson ajan taajuus ilmaistaan ​​jo megahertseinä. Tämä on, jos et noudata SI-järjestelmän vaatimuksia: jakso sekunneissa, taajuus hertseinä.

Ei-sinimuotoiset värähtelyt

Kuten aikaisemmin mainittiin, siniaalto on yleisin ja sopivin jaksollisen käyrän tutkimiseen ja käytännön käyttöön. Teollisuusolosuhteissa sitä saadaan käyttämällä sähkögeneraattoreita, esimerkiksi vesivoimalaitoksissa. Elektroniikkalaitteissa käytetään useimpien muotojen värähtelyjä.

Periaatteessa nämä ovat kolme muotoa: sinimuotoinen, suorakulmainen ja kolmionmuotoinen, kuten kuvassa 1 esitetään. Sekä virralla että jännitteellä voi olla tällainen muoto, joten kuvassa on esitetty vain aika-akseli, ordinaattiakseli jätetään ilman nimeä.

Tällaiset värähtelyt generoidaan erityisillä elektronisilla piireillä. Suorakulmaisia ​​ja kolmion muotoisia signaaleja kutsutaan usein pulssisiksi. On kuitenkin olemassa paljon elektronisia piirejä, jotka suorittavat signaalin muuntamisen: Esimerkiksi suorakulmio, kolmio voidaan tehdä sinimuunnosta.

Kuvio 1

Kaikilla kolmella signaalilla kuvassa on kaksi jaksoa, kaikilla signaaleilla on sama taajuus.

Ei-sinimuotoisten signaalien spektri

Mikä tahansa sähkösignaali voidaan esittää amplitudin mittauksena jossain ajankohtana. Näiden näytteiden taajuutta kutsutaan näytteenottotaajuudeksi ja vähintään kaksi kertaa korkeammaksi kuin mitatun signaalin ylätaajuus. Sitten näistä näytteistä voit palauttaa alkuperäisen signaalin. Tätä menetelmää käytetään esimerkiksi digitaalisessa äänitallennuksessa. Tätä menetelmää kutsutaan myös aika-analyysiksi.

Toinen menetelmä olettaa, että mikä tahansa signaali, jopa suorakaiteen muotoinen, voidaan esittää eri taajuuksilla ja vaiheilla olevien sinimuotojen algebralla summana. Tätä menetelmää kutsutaan taajuusanalyysiksi. Mutta se, mitä sanottiin ”eri taajuuksilla”, ei ole täysin totta: ainesosia sinusoideja kutsutaan harmonisiksi ja niiden taajuudet noudattavat tiettyjä lakeja.

Siniaaltoa, jonka taajuus on yhtä suuri kuin neliöaalon taajuus, kutsutaan perustaajuudeksi tai ensimmäiseksi harmoniseksi. Parilliset harmoniset harmoniset arvot saadaan kertomalla perustaajuus parillisella numerolla ja parittomat harmoniset vastaavasti paritolla.

Siten, jos ensimmäisen harmonisen taajuus on 1000 Hz, niin toisen on 2000 Hz, neljännen on 4000 Hz jne. Odd harmonisten taajuudet ovat 3000Hz, 5000Hz. Lisäksi jokaisella harmonisella on pienempi amplitudi kuin päällä: mitä korkeampi harmoninen, sitä pienempi amplitudi.

Musiikissa harmonisia kappaleita kutsutaan yläääniksi. Ne muodostavat äänen kielen, mahdollistavat viulun erottamisen pianosta ja kitaran saksofonista. Ne eivät salli sekoittaa miesten ja naisten ääntä tai erottaa Petrovia Ivanovista. Ja vain sinusoidi itse ei voi enää hajota tai koota mistään signaaleista.

Kuvio 2 esittää suorakulmaisen pulssin rakennetta.

Kuvio 2

Ensimmäinen ja kolmas harmoninen osa on esitetty kuvan yläosassa. On helppo nähdä, että kolmannen läpimenon kolmen ensimmäisen harmonisen jakson yhdellä jaksolla. Tässä tapauksessa kolmannen harmonisen amplitudi on kolmasosa ensimmäisestä. Tässä näkyy myös ensimmäisen ja kolmannen harmonisten summa.

Alla, yhdessä yhden ja kolmen harmonisen summan kanssa, esitetään vielä 5 harmonista: suorakulmaisen signaalin ajanjakson aikana se pystyy suorittamaan tarkalleen viisi jaksoa. Tässä tapauksessa sen amplitudi on vielä pienempi, tarkemmin sanottuna tarkalleen 1/5 pää (ensimmäisestä). Mutta ei pidä ajatella, että kaikki päättyy viidenteen harmoniseen: sitä ei yksinkertaisesti voida näyttää kuvassa, itse asiassa niitä on paljon enemmän.

Kuvassa 3 esitettyjen saha- ja kolmion muotoisten signaalien muodostuminen on jonkin verran monimutkaisempaa: Jos edellisessä tapauksessa vain pariton harmoninen harmonia osallistui, silloin jopa harmoniset tulivat peliin.

Kuvio 3

Siten voidaan todeta tosiasia, että monien harmonisten avulla syntetisoidaan minkä tahansa muodon signaali ja harmonisten lukumäärä ja tyyppi riippuvat aaltomuodosta, kuten kuvioissa 2 ja 3 esitetään.

Kun korjaat ja asennat elektroniikkalaitteita, sähkösignaalien tutkimiseen käytetään oskilloskooppia. Sen avulla voit harkita jaksollisten signaalien muodon, niiden amplitudin, mitata toistojakson. Kuvioissa 2 ja 3 esitettyjä yliaaltoja ei kuitenkaan voida nähdä.

Vaikka liität esimerkiksi sähkökitaran oskilloskooppiin, vedät yhden merkkijonon, sinimuoto ilmestyy näytölle, se on ensimmäinen harmoninen. Tässä tapauksessa ei voida puhua ylimääräisistä äänistä. Sama sinimuoto syntyy, jos puhaltat putkeen tai huiluun mikrofonin edessä.

Kuinka saada suorakulmaisia ​​impulsseja

Tutkittuaan sähköiset signaalit, meidän on muistettava kondensaattorit, joista artikkeli alkoi. Ensinnäkin sinun tulisi tutustua yhteen klassisen elektroniikan piireistä - multivibraattorin, (Kuva 4) juuri hän tuottaa suorakulmaisia ​​pulsseja. Piiri on niin klassinen, että se alkaa toimia heti ilman, että tarvitaan mitään asetuksia tai säätöjä.

Kuvio 4

Monivibraattori on kaksivaiheinen vahvistin, jota kattava positiivinen palaute. Jos kollektorikuormitusvastukset R1 = R4, kantavastukset R2 = R3 ja kondensaattorit C1 = C2 ovat yhtä suuret, multivibraattoria kutsutaan symmetriseksi ja se tuottaa mutkityyppisiä neliöaaltopulsseja - pulssin kesto on yhtä suuri kuin tauon kesto.

Tällaisten pulssien käyttöjakso (ajanjakson suhde pulssin kestoon) on yhtä suuri kuin kaksi. Englanninkielisissä järjestelmissä kaikki on aivan päinvastoin: he kutsuvat sitä työsykliksi. Se lasketaan pulssin keston ja sen peräkkäisen ajanjakson suhteena ja ilmaistaan ​​prosentteina. Niinpä mutkille työsykli on 50%.

Onko tietokone oikein?

Monivibraattorin nimen ehdotti hollantilainen fyysikko van der Pol, koska suorakaiteen signaalin spektri sisältää monia harmonisia. Voit tarkistaa tämän, jos voit sijoittaa keskiaallon alueella toimivan radiovastaanottimen lähelle monivibraattoria, joka toimii jopa äänitaajuudella: kaiuttimista tulee ulvovia ääniä. Tämä viittaa siihen, että äänitaajuuden lisäksi monivibraattori emittoi myös korkeataajuisia värähtelyjä.

Tuotantotaajuuden määrittämiseksi voidaan käyttää kaavaa f = 700 / (C1 * R2).

Tämän kaavan muodon avulla kondensaattorin kapasitanssi mikroparaadissa (μF), resistanssi kilo-ohmeissa (KΩ), tulos hertseinä (Hz). Siten taajuus määritetään C1 * R2-piirin aikavakion avulla; kollektorikuormat eivät vaikuta taajuuteen. Jos otamme C1 = 0,02 μF, R2 = 39 KΩ, niin saadaan f = 700 / (0,02 * 39) = 897,4 Hz.

Multivibraattori tietokoneiden ja mikro Tämän järjestelmän mukaan sitä ei milloinkaan käytetä, vaikka se saattaa hyvinkin sopia moniin kokeisiin. Ensinnäkin tietokoneiden käyttäminen. Näin näyttää Multisim-ohjelmaan koottu monivibraattoripiiri. Tässä esitetään myös oskilloskoopin kytkentä.

Kuvio 5

Tähän piiriin kondensaattorit ja vastukset on asennettu kuten edellisessä esimerkissä. Tehtävänä on tarkistaa laskelma kaavan mukaan, saadaanko sama taajuus. Mittaa tämä pulssien jakso ja laske sitten ne uudelleen taajuudella. Multisim-oskilloskoopin tulos on esitetty kuvassa 6.

Kuvio 6

Joitakin selityksiä kuvioon 6.

Punainen pulssi osoittaa oskilloskooppinäytöllä transistorin kollektorissa ja sininen pohjoissa. Suuren valkoisen ikkunan näytön alapuolella numerot osoittavat mittaustulokset. Olemme kiinnostuneita sarakkeesta "Aika". Aikaa mitataan osoittimilla T1 ja T2 (punaiset ja siniset kolmiot näytön yläpuolella).

Siten pulssin toistojakso T2-T1 = 1,107 ms esitetään melko tarkasti. Jää vain laskea taajuus f = 1 / T = 1 / 1.107 * 1000 = 903Hz.

Tulos on melkein sama kuin kaavan mukaisessa laskelmassa, joka annetaan hieman korkeammalle.

Kondensaattoreita voidaan käyttää paitsi erikseen: yhdessä vastuksien kanssa niiden avulla voit yksinkertaisesti luoda erilaisia ​​suodattimia tai luoda vaihesiirtopiirejä. Mutta tästä keskustellaan seuraavassa artikkelissa.

Artikkelin jatko: Kondensaattorit elektronisissa piireissä. Osa 2

Boris Aladyshkin