Kondensatoriai elektroninėse grandinėse

Ankstesniuose straipsniuose trumpai kalbėjome apie kondensatorių veikimą kintamosiose grandinėse, kaip ir kodėl kondensatoriai praleidžia kintamąją srovę (žr. Kintamosios srovės kondensatoriai) Tokiu atveju kondensatoriai nešildomi, energija jiems nėra paskirstoma: vienoje sinusoido pusės bangos metu kondensatorius įkraunamas, o kitoje jis natūraliai išsikrauna, tuo pačiu perkeldamas sukauptą energiją atgal į dabartinį šaltinį.

Šis srovės praleidimo būdas leidžia paskambinti kondensatoriui laisvąja pasipriešinimu, todėl kondensatorius, prijungtas prie išleidimo angos, nesudaro skaitiklio sukinio. Ir visa tai todėl, kad srovė kondensatoriuje pralenkia lygiai 1/4 laiko, kurią jam buvo naudojama įtampa.

Šis fazinis progresas leidžia ne tik „apgauti“ skaitiklį, bet ir leidžia sukurti įvairias grandines, pavyzdžiui, sinusoidinių ir stačiakampių signalų generatorius, laiko delsas ir įvairius dažnio filtrus.

Vykdant šią istoriją reikės kartais prisiminti tai, kas jau buvo pasakyta anksčiau, taip sakant, apibendrinti. Tai padės negrįžti prie ankstesnių straipsnių, norint prisiminti paprastą formulę arba tiesiog „kas tai yra“?

Lygiagretus ir nuoseklus kondensatorių sujungimas

Lygiagrečiai jungiant kondensatorius, visa talpa yra tiesiog aritmetinė talpų suma. Natūralu, kad įtraukus šią sumą, bendra talpa bus didesnė nei didžiausio kondensatoriaus talpa. Ctotal = C1 + C2 + C3 + ... + Cn.

Serijinio ryšio atveju bendra talpa yra mažesnė nei mažiausio.

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

Kai du identiški kondensatoriai yra sujungti nuosekliai, bendra talpa bus lygi pusei vieno talpos: pavyzdžiui, prijungus du kondensatorius po 1 μF, visa talpa bus 0,5 μF.

Talpa Xc

Čia viskas, kaip ir jungiant rezistorius, yra tik visiškai priešinga: nuoseklusis jungimas sumažina bendrą talpą, o lygiagretusis padidina. Ši aplinkybė neturėtų būti pamiršta jungiant kondensatorius, nes padidėjus talpai, sumažėja talpa Xc

Xc = 1/2 * π * f * C.

Matematikos požiūriu tai yra visiškai natūralu, nes C talpa yra trupmenos vardiklyje. Beje, dažnis f yra toje pačioje vietoje, todėl padidėjęs dažnis lemia ir talpos Xc sumažėjimą. Fizinė to prasmė yra ta, kad per tą patį kondensatorių geriau, netrukdomai, praeiti aukšti dažniai. Apie tai bus kalbama šiek tiek vėliau, kai bus kalbama apie žemo ir aukšto dažnio filtrus.

Jei imsime 1 μF talpos kondensatorių, tada 60 Hz dažniui jo Xc bus 2653 omai, o 400 Hz dažniui to paties kondensatoriaus Xc yra tik 398 omai. Tie, kurie nori, gali patikrinti šiuos rezultatus pagal formulę, pakeisdami π = 3,14, dažnį hercais ir talpą faradais. Tada rezultatas bus omų. Viskas turi atitikti SI sistemą!

Bet kondensatoriai naudojami ne tik kaip laisvasis amortizacinis varžos arba lygintuvo filtruose. Be jų dalyvavimo žemų ir aukštų dažnių generatorių, įvairių bangos formos keitiklių, diferencijuojančių ir integruojančių grandinių grandinės, stiprintuvus ir kitos schemos.

Toliau bus nagrinėjami įvairūs elektriniai signalai, kuriuos turi naudoti kondensatoriai. Visų pirma, tai yra periodiniai signalai, tinkami stebėti su osciloskopas.

Virpesių periodas ir dažnis

Taigi periodinis svyravimas vadinamas periodiniu, kuris be paliovos kartoja tą pačią formą, pavyzdžiui, vieną sinusinį svyravimą. Šio visiško svyravimo trukmė tiksliai vadinama periodu T ir matuojama sekundėmis, milisekundėmis, mikrosekundėmis.Šiuolaikinė elektronika susijusi net su nanosekundėmis (milijardoji sekundės dalis).

Laikotarpių skaičius per sekundę vadinamas virpesių f dažniu (kaip dažnai) f ir yra išreiškiamas hercais. 1Hz yra dažnis, kuriuo per 1 sekundę atliekamas vienas svyravimas, vienas visas laikotarpis. Laikotarpio ir dažnio santykis išreiškiamas paprasta formule T = 1 / f.

Atitinkamai, žinant svyravimo periodą, labai paprasta apskaičiuoti dažnį f = 1 / T.

Taip apskaičiuojamas dažnis matuojant osciloskopu: apskaičiuojamas periodo ląstelių skaičius, padaugintas iš vienos ląstelės trukmės, o periodas gaunamas, pavyzdžiui, mikrosekundėmis. Ir norėdami sužinoti dažnį, jie tiesiog naudojo paskutinę formulę.

Įprasta elektroninis osciloskopas Leidžia stebėti tik periodinius signalus, kuriuos galima sinchronizuoti su slinkties dažniu, kad gautumėte nejudantį vaizdą, tinkantį tyrimams. Jei siunčiate signalą į muzikos programą į osciloskopo įvestį, negalėsite nieko sustabdyti vaizdo. Norint stebėti tokius signalus, naudojami kaupiamieji osciloskopai.

Kai laikotarpis matuojamas milisekundėmis, dažnis gaunamas kilohercais, o mikrosekundėmis matuojamas laikotarpis - dažnis jau išreikštas megahercais. Tai yra, jei nesilaikote SI sistemos reikalavimų: laikotarpis sekundėmis, dažnis herkais.

Ne sinusoidiniai virpesiai

Kaip minėta anksčiau, sinusinė banga yra labiausiai paplitusi ir tinkama periodinės kreivės tyrimui ir praktiniam naudojimui. Pramoninėmis sąlygomis jis gaunamas naudojant elektros generatorius, pavyzdžiui, hidroelektrinėse. Elektroniniuose prietaisuose naudojamos pačių įvairiausių formų vibracijos.

Iš esmės tai yra trys formos: sinusoidinė, stačiakampė ir trikampė, kaip parodyta 1 paveiksle. Tiek srovė, tiek įtampa gali turėti tokią formą, todėl paveiksle pavaizduota tik laiko ašis, o ordinatės ašis palikta be pavadinimo.

Tokius virpesius generuoja specialios elektroninės grandinės. Stačiakampiai ir trikampiai signalai dažnai vadinami impulsiniais. Tačiau elektroninių schemų, atliekančių signalo konvertavimą, yra daugybė: pavyzdžiui, iš sinusoido galima pagaminti stačiakampį, trikampį.

1 pav

Visų trijų signalų atžvilgiu paveikslėlyje parodyti du laikotarpiai, visi signalai turi tą patį dažnį.

Nesinusinių signalų spektras

Bet kurį elektrinį signalą galima pavaizduoti kaip amplitudės matavimą tam tikru momentu. Šių mėginių dažnis vadinamas mėginių ėmimo dažniu ir mažiausiai du kartus didesnis už matuojamo signalo viršutinį dažnį. Tada iš šių pavyzdžių galite atkurti pradinį signalą. Šis metodas naudojamas, pavyzdžiui, skaitmeniniam garso įrašymui. Šis metodas dar vadinamas laiko analize.

Kitas metodas daro prielaidą, kad bet kuris signalas, net stačiakampis, gali būti pateiktas kaip algebrinė sinusoidų, turinčių skirtingą dažnį ir fazę, suma. Šis metodas vadinamas dažnio analize. Bet tai, kas buvo pasakyta „su skirtingais dažniais“, nėra visiškai tiesa: sudedamieji sinusoidai yra vadinami harmonikais, o jų dažniai paklūsta tam tikriems įstatymams.

Sinusinė banga, kurios dažnis yra lygus kvadratinės bangos dažniui, vadinama pagrindine arba pirmąja harmonika. Lygios harmonikos gaunamos padauginus pagrindinį dažnį iš lyginio skaičiaus, o nelyginės harmonikos - atitinkamai iš nelyginės.

Taigi, jei pirmosios harmonikos dažnis yra 1000 Hz, tada antroji yra 2000 Hz, ketvirtoji yra 4000 Hz ir kt. Nelyginių harmonikų dažnis bus 3000Hz, 5000Hz. Be to, kiekvienos harmonikos amplitudė yra mažesnė nei pagrindinės: kuo didesnė harmonika, tuo mažesnė amplitudė.

Muzikoje armonika vadinama viršgarsiu. Būtent jie sudaro garso tembrą, leidžia atskirti smuiką nuo fortepijono, o gitarą - nuo saksofono. Jie neleidžia supainioti vyriško ir moteriško balso ir atskirti Petrovą nuo Ivanovo. Ir tik pats sinusoidas nebegali būti suskaidytas ar surinktas iš jokių signalų.

2 paveiksle parodyta stačiakampio impulso konstrukcija.

2 pav

Pirmoji ir trečioji harmonikos yra pavaizduotos viršutinėje paveikslo dalyje. Nesunku pastebėti, kad per vieną pirmųjų harmonikų periodą trys trečiojo pereina. Šiuo atveju trečiosios harmonikos amplitudė yra trečdalis pirmosios. Čia taip pat parodyta pirmosios ir trečiosios harmonikų suma.

Žemiau, kartu su 1 ir 3 harmonikomis, parodytos dar 5 harmonikos: stačiakampio signalo laikotarpiui jis sugeba atlikti tiksliai penkis periodus. Šiuo atveju jo amplitudė yra dar mažesnė, tiksliau, tiksliai 1/5 pagrindinės (pirmosios). Tačiau nereikia galvoti, kad viskas baigiasi penktąja harmonika: to tiesiog neįmanoma parodyti paveiksle, iš tikrųjų jų yra daug daugiau.

Pjūklo ir trikampių signalų formavimas, kaip parodyta 3 paveiksle, yra šiek tiek sudėtingesnis. Jei ankstesniu atveju dalyvavo tik nelyginės harmonijos, tada žaidžia net harmonikai.

3 pav

Taigi galime teigti, kad daugelio harmonikų pagalba yra sintezuojamas bet kokios formos signalas, o harmonikų skaičius ir tipas priklauso nuo bangos formos, kaip parodyta 2 ir 3 paveiksluose.

Remontuojant ir nustatant elektroninę įrangą elektriniams signalams tirti naudojamas osciloskopas. Tai leidžia apsvarstyti periodinių signalų formą, jų amplitudę, išmatuoti pasikartojimo periodą. Tačiau harmonikų, parodytų 2 ir 3 paveiksluose, nematyti.

Net jei prie osciloskopo prijungiate, pavyzdžiui, elektrinę gitarą, patraukite vieną stygą, ekrane pasirodo sinusoidas, tai taip pat yra pirmoji harmonika. Tokiu atveju negalima kalbėti apie jokius viršvalandžius. Tas pats sinusoidas atsiras, jei įpūsite į vamzdį ar fleita priešais mikrofoną.

Kaip gauti stačiakampius impulsus

Susipažinę su elektriniais signalais, turime prisiminti kondensatorius, su kuriais straipsnis prasidėjo. Visų pirma, turėtumėte susipažinti su viena iš klasikinės elektronikos grandinių - multivibratorius, (4 pav.) Būtent jis generuoja stačiakampius impulsus. Grandinė yra tokia klasikinė, kad pradeda veikti iškart, nereikalaudama jokių nustatymų ar pakeitimų.

4 pav

Multivibratorius yra dviejų pakopų stiprintuvas, apie kurį pranešama teigiamai. Jei kolektoriaus apkrovos varžai R1 = R4, baziniai varžai R2 = R3 yra lygūs, o kondensatoriai C1 = C2 yra lygūs, multivibratorius vadinamas simetriniu ir sukuria meandro tipo kvadratinių bangų impulsus - impulsų trukmė yra lygi pauzės trukmei.

Tokių impulsų veikimo ciklas (laikotarpio ir impulsų trukmės santykis) yra lygus dviem. Anglų kalbos schemose viskas yra visiškai priešingai: jie tai vadina darbo ciklu. Jis apskaičiuojamas kaip impulsų trukmės ir jo tęstinumo laikotarpio santykis ir išreiškiamas procentais. Taigi vingiuotojo ciklas yra 50%.

Ar kompiuteris teisingas?

Pavadinimą multivibratorius pasiūlė olandų fizikas van der Polis, nes stačiakampio signalo spektre yra daug harmonikų. Tai galite patikrinti, jei radijo imtuvą, veikiantį vidutinių bangų diapazone, galite pastatyti šalia daugiafunkcinio įrenginio, kuris veikia net garso dažniu: garsiakalbiai pasigirs. Tai rodo, kad ne tik garso dažnis, bet ir multivibratorius skleidžia aukšto dažnio virpesius.

Generavimo dažniui nustatyti galima naudoti formulę f = 700 / (C1 * R2).

Taikant šią formulės formą, kondensatoriaus talpa mikrofaradose (μF), varža kilo-omuose (KΩ), rezultatas - hercais (Hz). Taigi dažnis nustatomas pagal C1 * R2 grandinės laiko konstantą; kolektorių apkrovos nedaro įtakos dažniui. Jei imtume C1 = 0,02 μF, R2 = 39 KΩ, tada gautume f = 700 / (0,02 * 39) = 897,4 Hz.

Multivibratorius kompiuterių ir mikrovaldikliai Pagal šią schemą jis beveik niekada nenaudojamas, nors gali būti tinkamas įvairiems eksperimentams. Visų pirma, naudojant kompiuterius. Taip atrodo „Multisim“ programoje surinkta multivibratoriaus grandinė. Čia taip pat parodytas osciloskopo ryšys.

5 pav

Šioje grandinėje yra sumontuoti kondensatoriai ir rezistoriai, kaip ir ankstesniame pavyzdyje. Užduotis yra patikrinti skaičiavimą pagal formulę, ar bus gautas tas pats dažnis. Norėdami tai padaryti, išmatuokite impulsų periodą ir tada perskaičiuokite juos pagal dažnį. Multisim osciloskopo rezultatas parodytas 6 paveiksle.

6 pav

Keli paaiškinimai 6 paveiksle.

Osciloskopo ekrane raudonas impulsas rodo impulsus ant tranzistoriaus kolektoriaus, o mėlynas - ant pagrindų. Žemiau ekrano dideliame baltame lange skaičiai rodo matavimo rezultatus. Mus domina stulpelis „Laikas“. Laikas matuojamas rodikliais T1 ir T2 (raudoni ir mėlyni trikampiai virš ekrano).

Taigi impulsų pasikartojimo periodas T2-T1 = 1,107ms parodytas gana tiksliai. Belieka tik apskaičiuoti dažnį f = 1 / T = 1 / 1.107 * 1000 = 903Hz.

Rezultatas beveik nesiskiria nuo skaičiavimo pagal formulę, kuri pateikiama šiek tiek didesnė.

Kondensatoriai gali būti naudojami ne tik atskirai: kartu su rezistoriais jie leidžia jums tiesiog sukurti įvairius filtrus arba sukurti fazės poslinkio grandines. Bet tai bus aptarta kitame straipsnyje.

Straipsnio tęsinys: Kondensatoriai elektroninėse grandinėse. 2 dalis

Borisas Aladyshkinas