Condensatoare în circuite electronice

În articolele anterioare, am vorbit pe scurt despre funcționarea condensatoarelor în circuitele de curent alternativ, cum și de ce condensatorii trec curent alternativ (vezi - Condensatoare de curent alternativ). În acest caz, condensatoarele nu se încălzesc, puterea nu le este alocată: într-o jumătate de undă a sinusoidului, condensatorul se încarcă, iar în celălalt, se descarcă în mod natural, transferând energia stocată înapoi la sursa curentă.

Această metodă de trecere a curentului vă permite să numiți condensatorul o rezistență liberă și de aceea condensatorul conectat la ieșire nu face ca contorul să se rotească. Și toate acestea se datorează faptului că curentul din condensator este înainte de exact 1/4 din timpul de tensiune aplicat acestuia.

Dar acest avans de fază face posibilă nu numai „păcălirea” contorului, ci și crearea de circuite diverse, de exemplu, generatoare de semnale sinusoidale și dreptunghiulare, întârzieri de timp și diverse filtre de frecvență.

În procesul acestei povești, va fi necesar să reamintim uneori ceea ce s-a spus deja înainte, ca să spunem așa, să rezumăm. Acest lucru va ajuta să nu reveniți la articolele anterioare pentru a reaminti o formulă simplă sau, pur și simplu, „ce este?”

Conexiune paralelă și în serie a condensatoarelor

Cu o conexiune paralelă a condensatoarelor, capacitatea totală este pur și simplu suma aritmetică a capacităților. Desigur, cu această includere, capacitatea totală va fi mai mare decât capacitatea celui mai mare condensator. Ctotal = C1 + C2 + C3 + ... + Cn.

În cazul unei conexiuni în serie, capacitatea totală este mai mică decât cea a celui mai mic.

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

Atunci când doi condensatori identici sunt conectați în serie, capacitatea totală va fi egală cu jumătate din capacitatea unuia: de exemplu, atunci când conectați doi condensatori de 1 µF fiecare, capacitatea totală va fi de 0,5 µF.

Capacitate Xc

Aici, totul, ca în cazul conectării rezistențelor, este doar exact opusul: o conexiune în serie reduce capacitatea totală, în timp ce una paralelă o mărește. Această circumstanță nu trebuie uitată la conectarea condensatoarelor, deoarece o creștere a capacitanței duce la o scădere a capacitanței Xc

Xc = 1/2 * π * f * C.

Din punct de vedere al matematicii, acest lucru este destul de natural, deoarece capacitatea C este în numitorul fracției. Apropo, frecvența f este în același loc, astfel încât o creștere a frecvenței duce, de asemenea, la o scădere a capacitanței Xc. Înțelesul fizic al acestui lucru este că prin același condensator este mai bine, mai fără obstacole, să treacă frecvențele înalte. Acest lucru va fi discutat puțin mai târziu, când vine vorba despre filtrele low-pass și high-pass.

Dacă luăm un condensator cu o capacitate de 1 μF, atunci pentru o frecvență de 60 Hz, Xc-ul său va fi de 2653 Ohmi, iar pentru o frecvență de 400 Hz, același condensator are un Xc de doar 398 Ohmi. Cei care doresc pot verifica aceste rezultate prin formula, înlocuind π = 3.14, frecvența în hertz și capacitanța faradelor. Atunci rezultatul va fi în ohmi. Totul trebuie să respecte sistemul SI!

Dar condensatoarele sunt utilizate nu numai ca rezistențe de amortizare a amortizării libere sau în filtrele de redresare. Fără participarea lor, circuite pentru generatoare de frecvență joasă și înaltă, diverse convertoare de formă de undă, diferențierea și integrarea circuitelor, amplificatoare și alte scheme.

În continuare, vor fi luate în considerare diverse semnale electrice cu care condensatorii trebuie să lucreze. În primul rând, acestea sunt semnale periodice potrivite pentru observare cu osciloscop.

Perioada și frecvența oscilațiilor

Oscilarea periodică este, așadar, numită periodică, care, fără încetare, repetă aceeași formă, de exemplu, o oscilație sinusoidală. Durata acestei modificări complete se numește precis perioada T și se măsoară în secunde, milisecunde, microsecunde.Electronica modernă se ocupă chiar de nanosecunde (o miliardime de secundă).

Numărul de perioade pe secundă se numește frecvența (cât de des) a oscilațiilor f și este exprimat în hertz. 1Hz este frecvența la care o oscilație, o perioadă completă, este efectuată în 1 secundă. Raportul dintre perioadă și frecvență este exprimat prin formula simplă T = 1 / f.

În consecință, cunoscând perioada de oscilație, este foarte simplu să calculăm frecvența f = 1 / T.

Așa se calculează frecvența atunci când se măsoară cu un osciloscop: se calculează numărul de celule dintr-o perioadă, înmulțit cu durata unei celule, iar perioada se obține, de exemplu, în microsecunde. Și pentru a afla frecvența, ei au folosit pur și simplu ultima formulă.

obișnuit osciloscop electronic Vă permite să observați doar semnalele periodice care pot fi sincronizate cu frecvența de măturare pentru a obține o imagine potrivită pentru cercetare. Dacă trimiteți un semnal către un program de muzică la intrarea osciloscopului, nu veți putea opri imaginea pentru nimic. Pentru a observa astfel de semnale, se folosesc osciloscoape de stocare.

Când o perioadă este măsurată în milisecunde, frecvența este obținută în kilohertz, pentru o perioadă măsurată în microsecunde, frecvența este deja exprimată în megahertz. Aceasta dacă nu respectați cerințele sistemului SI: perioadă în secunde, frecvență în hertz.

Vibrații non-sinusoidale

După cum am menționat anterior, o undă sinusoidală este cea mai comună și potrivită pentru studiul și utilizarea practică a curbei periodice. În condiții industriale, se obține folosind generatoare electrice, de exemplu, în centrale hidroelectrice. În dispozitivele electronice se folosesc vibrații cu cele mai diverse forme.

Practic, acestea sunt trei forme: sinusoidale, dreptunghiulare și triunghiulare, așa cum se arată în figura 1. Atât curentul, cât și tensiunea pot avea o astfel de formă, prin urmare, doar axa timpului este prezentată în figură, axa ordonată rămâne fără nume.

Astfel de oscilații sunt generate de circuite electronice speciale. Semnalele dreptunghiulare și triunghiulare sunt adesea numite pulsate. Cu toate acestea, există o mulțime de circuite electronice care efectuează conversia semnalului: de exemplu, un dreptunghi, un triunghi poate fi realizat dintr-un sinusoid.

Figura 1

Pentru toate cele trei semnale, figura arată două perioade, toate semnalele au aceeași frecvență.

Spectrul semnalelor non-sinusoidale

Orice semnal electric poate fi reprezentat ca o măsurătoare a amplitudinii la un moment dat în timp. Frecvența acestor probe se numește frecvență de eșantionare și de cel puțin două ori mai mare decât frecvența superioară a semnalului măsurat. Apoi, din aceste probe, puteți restaura semnalul inițial. Această metodă este folosită, de exemplu, în înregistrarea digitală a sunetului. Această metodă se mai numește și analiză a timpului.

O altă metodă presupune că orice semnal, chiar unul dreptunghiular, poate fi reprezentat ca suma algebrică a sinusoidelor cu frecvențe și faze diferite. Această metodă se numește analiză de frecvență. Dar, ceea ce s-a spus „cu frecvențe diferite” nu este în întregime adevărat: sinusoidele constitutive sunt numite armonice, iar frecvențele lor respectă anumite legi.

O undă sinusoidală a cărei frecvență este egală cu frecvența unei unde pătrate se numește armonia fundamentală sau prima. Chiar și armonicele sunt obținute prin înmulțirea frecvenței fundamentale cu un număr egal și, respectiv, armonicele impar.

Astfel, dacă prima armonică are o frecvență de 1000 Hz, atunci a doua este de 2000 Hz, a patra este de 4000 Hz etc. Armonicele ciudate vor avea frecvențe de 3000Hz, 5000Hz. Mai mult decât atât, fiecare armonică este mai mică în amplitudine decât cea principală: cu cât armonica este mai mare, cu atât amplitudinea este mai mică.

În muzică, armonicele sunt numite tonuri de cap. Aceștia formează timbrul sunetului, fac posibilă distingerea vioarăi de la pian, iar chitara de la saxofon. Ei nu permit să confunde vocea masculină și cea feminină sau să-l distingă pe Petrov de Ivanov. Și numai sinusoidul în sine nu mai poate fi descompus sau asamblat din niciun semnal.

Figura 2 prezintă construcția unui impuls dreptunghiular.

Figura 2

Prima și a treia armonică sunt prezentate în partea superioară a figurii. Este ușor de observat că într-o perioadă a primei armonice trei perioade ale treia trecere. În acest caz, amplitudinea celei de-a treia armonice este o treime din prima. Suma primei și a treia armonice este prezentată și aici.

Mai jos, împreună cu suma de 1 și 3 armonice, sunt afișate alte 5 armonice: pentru o perioadă a unui semnal dreptunghiular reușește să facă exact cinci perioade. În acest caz, amplitudinea sa este și mai mică, mai exact, exact 1/5 din cea mai mare (prima). Dar nu ar trebui să ne gândim că totul se termină la a cincea armonică: pur și simplu nu poate fi arătat în figură, de fapt există multe altele.

Formarea semnalelor triunghiulare și triunghiulare, prezentate în figura 3, este oarecum mai complicată.Dacă în cazul precedent au luat parte doar armonicele ciudate, atunci chiar și armonicele intră în joc.

Figura 3

Astfel, putem afirma faptul că, cu ajutorul multor armonice, se sintetizează un semnal de orice formă, iar numărul și tipul de armonice depind de forma de undă, așa cum se arată în Figurile 2 și 3.

La repararea și instalarea echipamentelor electronice, se folosește un osciloscop pentru studierea semnalelor electrice. Vă permite să luați în considerare forma semnalelor periodice, amplitudinea lor, să măsoare perioada de repetare. Dar armonicile prezentate în figurile 2 și 3 nu pot fi văzute.

Chiar dacă conectați, de exemplu, o chitară electrică la un osciloscop, trageți o singură sfoară, pe ecran apare un sinusoid, este primul armonic. În acest caz, nu se poate vorbi despre avertismente. Același sinusoid va rezulta dacă suflați în conductă sau în flautul din fața microfonului.

Cum să obțineți impulsuri dreptunghiulare

După ce am făcut cunoștință cu semnalele electrice, trebuie să reamintim condensatoarele cu care a început articolul. În primul rând, ar trebui să vă familiarizați cu unul dintre circuitele electronice clasice - multivibrator, (Figura 4) este cel care generează impulsuri dreptunghiulare. Circuitul este atât de clasic încât începe să funcționeze imediat, fără să necesite nicio setare sau reglare.

Figura 4

Multivibratorul este un amplificator în două etape, acoperit de feedback pozitiv. Dacă rezistențele de sarcină ale colectorului R1 = R4, rezistențele de bază R2 = R3 și condensatoarele C1 = C2 sunt egale, multivibratorul se numește simetric și generează impulsuri de undă pătrată de tip meandro - durata impulsului este egală cu durata pauzei.

Ciclul de funcționare al acestor impulsuri (raportul dintre perioada și durata pulsului) este egal cu două. În schemele în limba engleză, totul este exact invers: ei îl numesc ciclul datoriei. Se calculează ca raportul dintre durata pulsului și perioada succesiunii sale și este exprimat în procente. Astfel, pentru meandru, ciclul de serviciu este de 50%.

Este corect computerul?

Numele multivibrator a fost propus de fizicianul olandez van der Pol, deoarece spectrul unui semnal dreptunghiular conține multe armonice. Puteți verifica acest lucru dacă puteți plasa un receptor radio care operează în gama de unde medii în apropierea unui multivibrator care funcționează chiar și la o frecvență audio: urlările vor veni de la difuzor. Acest lucru sugerează că, pe lângă frecvența sunetului, multivibratorul emite și oscilații de înaltă frecvență.

Pentru a determina frecvența de generare, se poate utiliza formula f = 700 / (C1 * R2).

Cu această formă a formulei, capacitatea condensatorului în microfaraduri (μF), rezistența în kilo-ohmi (KΩ), rezultând în hertz (Hz). Astfel, frecvența este determinată de constanta de timp a circuitului C1 * R2, încărcările colectorului nu afectează frecvența. Dacă luăm C1 = 0,02 μF, R2 = 39 KΩ, atunci obținem f = 700 / (0,02 * 39) = 897,4 Hz.

Multivibrator în epoca calculatoarelor și microcontrolere Conform acestei scheme, acesta nu este folosit niciodată, deși poate fi potrivit pentru diverse experimente. În primul rând, folosind calculatoare. Așa arată circuitul multivibrator asamblat în programul Multisim. Conexiunea osciloscopului este prezentată și aici.

Figura 5

În acest circuit, condensatoarele și rezistențele sunt instalate ca în exemplul precedent. Sarcina este de a verifica calculul conform formulei dacă va fi obținută aceeași frecvență. Pentru a face acest lucru, măsurați perioada pulsurilor, apoi recalculați-le în frecvență. Rezultatul osciloscopului multisim este prezentat în figura 6.

Figura 6

Câteva clarificări la Figura 6.

Pe ecranul osciloscopului, pulsul roșu arată impulsurile pe colectorul tranzistorului, iar albastrul pe baze. Sub ecran, într-o fereastră mare albă, numerele arată rezultatele măsurării. Ne interesează coloana „Timp”. Timpul este măsurat de indicatorii T1 și T2 (triunghiuri roșii și albastre deasupra ecranului).

Astfel, perioada de repetare a pulsului T2-T1 = 1.107ms este prezentată destul de precis. Rămâne doar să calculăm frecvența f = 1 / T = 1 / 1.107 * 1000 = 903Hz.

Rezultatul este aproape același ca în calcul conform formulei, care este dat puțin mai mare.

Condensatoarele pot fi folosite nu numai separat: în combinație cu rezistențele, vă permit să creați pur și simplu diverse filtre sau să creați circuite de schimbare a fazelor. Dar acest lucru va fi discutat în articolul următor.

Continuarea articolului: Condensatoare în circuite electronice. Partea a 2-a

Boris Aladyshkin