Kondenzatori u elektroničkim krugovima

U prethodnim člancima kratko smo govorili o radu kondenzatora u izmjeničnim krugovima, kako i zašto kondenzatori prolaze izmjeničnu struju (vidi - AC kondenzatori). U ovom slučaju kondenzatori se ne zagrijavaju, snaga im nije dodijeljena: u jednom poluslavu sinusoida kondenzator se napuni, a u drugom se prirodno isprazni, dok prenosi pohranjenu energiju natrag u trenutni izvor.

Ova metoda prolaska struje omogućuje vam da nazvate kondenzator slobodnim otporom, i to je razlog zašto kondenzator spojen na izlaz ne stvara kontra. I sve je to zato što je struja u kondenzatoru ispred točno 1/4 vremena napona koji je primijenjen na njega.

No, ovaj napredak faze omogućuje ne samo „trik“ brojača, već omogućava stvaranje različitih sklopova, na primjer, generatora sinusoidnih i pravokutnih signala, vremenskih kašnjenja i raznih frekvencijskih filtera.

U procesu ove priče bit će potrebno ponekad se prisjetiti onoga što je već rečeno, da tako kažem, ukratko. To će vam pomoći da se ne vratimo na prethodne članke kako bismo se prisjetili jednostavne formule ili jednostavno, "što je to?"

Paralelno i serijsko spajanje kondenzatora

Uz paralelno spajanje kondenzatora, ukupni kapacitet je jednostavno aritmetička suma kapaciteta. Naravno, s tim uključenjem ukupni će kapacitet biti veći od kapaciteta najvećeg kondenzatora. Ctotal = C1 + C2 + C3 + ... + Cn.

U slučaju serijskog spajanja, ukupni kapacitet je manji od najmanjeg.

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

Kada su dva identična kondenzatora spojena u seriju, ukupni kapacitivitet bit će jednak polovici kapaciteta jednog: na primjer, kada spojite dva kondenzatora od po 1 µF, ukupni kapacitet će biti 0,5 µF.

Kapacitet Xc

Ovdje je sve, kao i kod spajanja otpornika, upravo suprotno: serijska veza smanjuje ukupni kapacitet, dok paralelna povećava. Ovu okolnost ne treba zaboraviti pri povezivanju kondenzatora, jer povećanje kapacitivnosti dovodi do smanjenja kapacitivnosti Xc

Xc = 1/2 * π * f * C.

S gledišta matematike, to je sasvim prirodno, jer je kapacitet C u nazivniku ulomaka. Usput, frekvencija f je na istom mjestu, tako da povećanje frekvencije također dovodi do smanjenja kapacitivnosti Xc. Fizičko značenje toga je da kroz isti kondenzator bolje, nesmetanije prolaze visoke frekvencije. O tome će se govoriti malo kasnije, kada su u pitanju filteri s niskim i visokim prolazima.

Ako uzmemo kondenzator kapaciteta 1 µF, tada će za frekvenciju od 60 Hz njegov Xc biti 2653 Ohma, a za frekvenciju od 400 Hz isti kondenzator ima Xc od samo 398 Ohma. Oni koji žele mogu provjeriti ove rezultate pomoću formule, zamjenjujući π = 3,14, frekvenciju u hercima i kapacitet u faradima. Tada će rezultat biti u ohma. Sve mora biti u skladu sa sustavom SI!

Ali kondenzatori se koriste ne samo kao otporni prigušivači ili u ispravljačkim filtrima. Bez njihovog sudjelovanja, sklopovi za generatore niske i visoke frekvencije, različiti pretvarači oblika valova, diferencirajući i integrirani krugovi, pojačala i druge sheme.

Zatim će se razmatrati razni električni signali s kojima kondenzatori moraju raditi. Prije svega, to su periodični signali pogodni za promatranje s osciloskop.

Period i učestalost oscilacija

Stoga se naziva periodično osciliranje, koje bez prestanka ponavlja isti oblik, na primjer, jednu sinusoidnu oscilaciju. Trajanje ovog punog zamaha točno se naziva razdobljem T, a mjeri se u sekundama, milisekundama, mikrosekundama.Moderna elektronika se čak bavi nanosekundama (milijardu sekunde).

Broj razdoblja u sekundi naziva se frekvencijom (koliko često) oscilacija f i izražava se u hertzima. 1Hz je frekvencija na kojoj se vrši jedna oscilacija, jedno cijelo razdoblje u 1 sekundi. Omjer razdoblja i učestalosti izražava se jednostavnom formulom T = 1 / f.

U skladu s tim, znajući period oscilacije, vrlo je jednostavno izračunati frekvenciju f = 1 / T.

Ovako se izračunava frekvencija prilikom mjerenja osciloskopom: izračunava se broj stanica u nekom razdoblju, množi se s trajanjem jedne stanice, a dobiva se, primjerice, u mikrosekundama. A da bi saznali frekvenciju, jednostavno su koristili zadnju formulu.

običan elektronički osciloskop Omogućuje vam promatranje samo periodičnih signala koji se mogu sinkronizirati s frekvencijom pomicanja kako bi se dobila slika koja je pogodna za istraživanje. Ako se signal glazbenog programa pošalje na ulaz osciloskopa, tada nećete moći ništa zaustaviti. Za promatranje takvih signala koriste se skladišni osciloskopi.

Kada se razdoblje mjeri u milisekundama, frekvencija se dobiva u kilohercima, a za razdoblje mjereno u mikrosekundama, frekvencija je već izražena u megahercima. Ovo je ako ne slijedite zahtjeve SI sustava: razdoblje u sekundama, frekvencija u hertzima.

Ne-sinusoidne vibracije

Kao što je spomenuto ranije, sinusni val je najčešći i pogodan za proučavanje i praktičnu upotrebu periodične krivulje. U industrijskim se uvjetima dobiva korištenjem električnih generatora, na primjer, u hidroelektranama. U elektroničkim uređajima koriste se vibracije najrazličitijih oblika.

U osnovi su to tri oblika: sinusoidni, pravokutni i trokutasti, kao što je prikazano na slici 1. I struja i napon mogu imati takav oblik, dakle, na slici je prikazana samo vremenska osovina, a ordinatna os ostaje bez imena.

Takve oscilacije nastaju posebnim elektroničkim krugovima. Pravokutni i trokutasti signali često se nazivaju pulsnim. Međutim, postoje mnogi elektronički sklopovi koji vrše pretvorbu signala: na primjer, od sinusoida se može napraviti pravokutnik, trokut.

Slika 1

Za sva tri signala, slika prikazuje dva razdoblja, svi signali imaju istu frekvenciju.

Spektar ne-sinusoidnih signala

Bilo koji električni signal može se predstaviti kao mjerenje amplitude u određenom trenutku. Učestalost ovih uzoraka naziva se frekvencija uzorkovanja i najmanje dva puta veća od gornje frekvencije izmjerenog signala. Tada iz ovih uzoraka možete vratiti izvorni signal. Ova metoda se koristi, na primjer, u digitalnom snimanju zvuka. Ova metoda se također naziva i analiza vremena.

Druga metoda pretpostavlja da bilo koji signal, čak i pravokutni, može biti predstavljen kao algebarska suma sinusoida s različitim frekvencijama i fazama. Ova metoda se naziva analiza frekvencije. Ali, ono što je rečeno "s različitim frekvencijama" nije u potpunosti točno: sastavni sinusoidi nazivaju se harmonikom i njihove frekvencije poštuju se nekim zakonima.

Sinusni val čija je frekvencija jednaka frekvenciji kvadratnog vala naziva se temeljnim ili prvim harmoničnim. Čak se i harmonika dobiva množenjem osnovne frekvencije s parom, a neparni harmoni s neparnim.

Dakle, ako prva harmonika ima frekvenciju od 1000 Hz, onda je druga 2000 Hz, četvrta je 4000 Hz, itd. Neparni harmonici imat će frekvencije od 3000Hz, 5000Hz. Štoviše, svaka je harmonika manja po amplitudi nego glavna: što je veća harmonika, to je manja i amplituda.

U glazbi se harmonika naziva pretjeranošću. Oni formiraju zvuk zvuka, omogućuju razlikovanje violine od klavira i gitare od saksofona. Ne dopuštaju zbuniti muški i ženski glas niti razlikovati Petrov od Ivanov. I samo se sinusoid više ne može rastaviti ili sastaviti iz bilo kojeg signala.

Na slici 2 prikazana je konstrukcija pravokutnog impulsa.

Slika 2

Prva i treća harmonika prikazane su u gornjem dijelu slike. Lako je vidjeti da su u jednom razdoblju prve harmonike tri razdoblja trećeg prolaza. U ovom je slučaju amplituda trećeg harmonika jedna trećina prve. Ovdje je prikazan i zbroj prvih i trećih harmonika.

Ispod, zajedno s zbrojem 1 i 3 harmonike, prikazano je još 5 harmonika: za razdoblje pravokutnog signala uspijeva izvršiti točno pet razdoblja. U ovom je slučaju njegova amplituda još manja, točnije, točno 1/5 glavne (prve). Ali ne treba misliti da se sve završava na petom harmoniku: to jednostavno ne može biti prikazano na slici, u stvari postoji mnogo više.

Izrada pilanih i trokutastih signala, prikazanih na slici 3, nešto je složenija: Ako su u prethodnom slučaju sudjelovali samo neobični harmoničari, tada čak i harmonika dolazi u igru.

Slika 3

Stoga možemo iznijeti činjenicu da se uz pomoć mnogih harmonika sintetizira signal bilo kojeg oblika, a broj i vrsta harmonika ovise o obliku vala, kao što je prikazano na slikama 2 i 3.

Kod popravka i postavljanja elektroničke opreme koristi se osciloskop za proučavanje električnih signala. Omogućuje vam razmatranje oblika periodičnih signala, njihove amplitude, mjerenje razdoblja ponavljanja. Ali harmonike prikazane na slikama 2 i 3 nije moguće vidjeti.

Čak i ako spojite, na primjer, električnu gitaru na osciloskop, povučete jednu žicu, na ekranu se pojavi sinusoid, to je prva harmonika. U ovom se slučaju ne može govoriti o nikakvim pretjeranim tonovima. Isti sinusoid rezultirat će puhanjem ili cijevi ispred mikrofona.

Kako doći do pravokutnih impulsa

Nakon upoznavanja s električnim signalima, moramo se prisjetiti kondenzatora s kojima je članak počeo. Prije svega, trebali biste se upoznati s jednim od klasičnih elektroničkih sklopova - multivibrator, (Slika 4) upravo on stvara pravokutne impulse. Strujni krug je toliko klasičan da odmah počinje raditi bez potrebe za bilo kakvim podešavanjima ili podešavanjima.

Slika 4

Multivibrator je dvostupanjsko pojačalo, prekriveno pozitivnim povratnim informacijama. Ako su otpornici na opterećenju kolektora R1 = R4, osnovni otpornici R2 = R3 i kondenzatori C1 = C2 jednaki su, multivibrator se naziva simetričnim i generira kvadratne valne impulse tipa meandera - trajanje impulsa jednako je trajanju pauze.

Radni ciklus takvih impulsa (omjer razdoblja i trajanja impulsa) jednak je dva. U shemama na engleskom jeziku sve je upravo suprotno: nazivaju ga dužnim ciklusom. Izračunava se kao omjer trajanja impulsa u razdoblju njegovog sukcesije i izražava se u postocima. Dakle, za meander je radni ciklus 50%.

Je li računalo ispravno?

Naziv multivibrator predložio je nizozemski fizičar van der Pol, jer spektar pravokutnog signala sadrži mnogo harmonika. To možete provjeriti ako možete postaviti radio prijemnik koji djeluje u srednjovalnom rasponu u blizini multivibatora koji radi čak i na audio frekvenciji: zavijanje će doći iz zvučnika. Ovo sugerira da multivibrator, osim zvučne frekvencije, emitira i visokofrekventne oscilacije.

Za određivanje frekvencije stvaranja može se koristiti formula f = 700 / (C1 * R2).

S ovim oblikom formule, kapacitivnost kondenzatora u mikrofaradama (μF), otpor u kilo-ohima (KΩ), rezultira hertzom (Hz). Dakle, frekvencija je određena vremenskom konstantom kruga C1 * R2; opterećenja kolektora ne utječu na frekvenciju. Ako uzmemo C1 = 0,02 μF, R2 = 39 KΩ, tada ćemo dobiti f = 700 / (0,02 * 39) = 897,4 Hz.

Multivibrator u doba računala i mikrokontrolera Prema ovoj shemi, gotovo se nikad ne koristi, iako je možda prikladan za razne eksperimente. Prije svega, pomoću računala. Ovako izgleda multivibratorski sklop sastavljen u programu Multisim. Ovdje je prikazana i veza osciloskopa.

Slika 5

U ovom su krugu ugrađeni kondenzatori i otpornici kao u prethodnom primjeru. Zadatak je provjeriti izračun prema formuli hoće li se dobiti ista frekvencija. Da biste to učinili, izmjerite razdoblje impulsa, a zatim ih preračunajte u učestalosti. Rezultat Multisim osciloskopa prikazan je na slici 6.

Slika 6

Neka pojašnjenja na slici 6.

Na ekranu osciloskopa crveni impuls prikazuje impulse na kolektoru tranzistora, a plavi na bazama. Ispod zaslona u velikom bijelom prozoru brojke prikazuju rezultate mjerenja. Zanima nas kolumna "Vrijeme". Vrijeme se mjeri pokazateljima T1 i T2 (crveni i plavi trokut iznad zaslona).

Stoga je razdoblje ponavljanja impulsa T2-T1 = 1,107ms prikazano prilično točno. Ostaje samo izračunati frekvenciju f = 1 / T = 1 / 1.107 * 1000 = 903Hz.

Rezultat je gotovo isti kao u izračunu prema formuli, koji je dan malo veći.

Kondenzatori se mogu koristiti ne samo zasebno: u kombinaciji s otpornicima omogućuju vam jednostavno stvaranje raznih filtera ili stvaranje krugova faznog pomaka. Ali o tome će se govoriti u sljedećem članku.

Nastavak članka: Kondenzatori u elektroničkim krugovima. 2. dio

Boris Aladyskin