Kondenzátorok elektronikus áramkörökben

Az előző cikkekben röviden beszéltünk a kondenzátorok működéséről a váltakozó áramkörökben, hogy a kondenzátorok hogyan és miért adják át az AC áramot AC kondenzátorok). Ebben az esetben a kondenzátorok nem melegsznek fel, és nem kapnak energiát nekik: az egyik félhullámban a kondenzátor töltődik, a másikban természetesen kisül, miközben a tárolt energiát visszajuttatja az áramforráshoz.

Ez az áramáram-módszer lehetővé teszi, hogy a kondenzátort szabad ellenállásnak hívjuk, és ezért a kimeneti csatlakozóhoz csatlakoztatott kondenzátor nem okoz centrifugálást. És mindez azért van, mert a kondenzátorban az áram pontosan meghaladja a rá alkalmazott feszültség egynegyedét.

Ez a fázis előrehaladás nem csak a számláló „becsapását” teszi lehetővé, hanem különféle áramkörök létrehozását is lehetővé teszi, például szinuszos és téglalap alakú jelek generátorait, késleltetéseit és különféle frekvenciaszűrőket.

Ennek a történetnek a folyamatában néha vissza kell emlékeztetni arra, amit már korábban elhangzottak, hogy úgy mondjam, összefoglalni. Ez segít visszatérni a korábbi cikkekhez az egyszerű képlet vagy egyszerűen: „mi az?” Visszahívására.

Kondenzátorok párhuzamos és soros csatlakoztatása

A kondenzátorok párhuzamos csatlakoztatásával a teljes kapacitás egyszerűen a kapacitások számtani összege. Természetesen ezzel a beépítéssel a teljes kapacitás meghaladja a legnagyobb kondenzátor kapacitását. Ctotal = C1 + C2 + C3 + ... + Cn.

Soros csatlakozás esetén a teljes kapacitás kisebb, mint a legkisebbnél.

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

Ha két azonos kondenzátort egymás után csatlakoztatunk, akkor a teljes kapacitás az egyik kapacitásának felével egyenlő: például ha két darab 1 μF-os kondenzátort csatlakoztatunk, akkor a teljes kapacitás 0,5 μF.

Xc kapacitás

Itt minden, akárcsak az ellenállások csatlakoztatásakor, csak éppen az ellenkezője: egy soros csatlakozás csökkenti a teljes kapacitást, míg a párhuzamos növeli. Ezt a körülményt nem szabad elfelejteni a kondenzátorok csatlakoztatásakor, mivel a kapacitás növekedése az Xc kapacitás csökkenéséhez vezet

Xc = 1/2 * π * f * C.

A matematika szempontjából ez egészen természetes, mivel a C kapacitás a frakció nevezőjében van. By the way, az f frekvencia ugyanabban a helyen van, tehát a frekvencia növekedése az Xc kapacitás csökkenéséhez is vezet. Ennek fizikai jelentése az, hogy ugyanazon kondenzátoron keresztül jobb, akadálytalanabban halad át a magas frekvencia. Erről egy kicsit később beszélünk, amikor az aluljáró és a magasáteresztő szűrőkről van szó.

Ha 1 μF kapacitású kondenzátort veszünk, akkor 60 Hz frekvencián az Xc értéke 2653 Ohm, és 400 Hz frekvencián ugyanazon kondenzátor Xc értéke csak 398 Ohm. Azok, akik szeretnék, ezeket az eredményeket a képlettel ellenőrizhetik, helyettesítve π = 3,14-et, a frekvenciát hertsekben és a kapacitást fáradságban. Akkor az eredmény ohmban lesz. Mindennek meg kell felelnie az SI rendszernek!

A kondenzátorokat nemcsak szabadon csillapító csillapítási ellenállásként, vagy egyenirányító szűrőkként használják. Részvétel nélkül áramkörök alacsony és magas frekvenciájú generátorokhoz, különféle hullámformák átalakítói, differenciáló és integráló áramkörök, erősítők és egyéb rendszerek.

Ezután megvizsgáljuk azokat a különféle elektromos jeleket, amelyekkel a kondenzátoroknak működniük kell. Mindenekelőtt ezek periodikus jelek, amelyek alkalmasak megfigyelésre oszcilloszkóp.

Az oszcillációk periódusa és gyakorisága

Az időszakos rezgéseket ezért periodikusnak nevezzük, amely szünet nélkül ugyanazt a formát megismétli, például egy szinuszos oszcillációt. Ennek a teljes ingadozásnak az időtartamát pontosan T időtartamnak nevezik, és másodpercben, milliszekundumban vagy mikrosekundumban mérik.A modern elektronika még a nanosekundumokkal is foglalkozik (másodperces milliárdoddal).

A másodpercenkénti periódusok számát az f lengés frekvenciájának (milyen gyakran) hívják, és hertsekben fejezik ki. 1Hz az a frekvencia, amelyen egy oszcilláció, egy teljes periódus, 1 másodperc alatt hajtódik végre. Az idõszak és a gyakoriság arányát a T = 1 / f egyszerû képlet fejezi ki.

Ennek megfelelően, az oszcillációs periódus ismeretében nagyon egyszerű kiszámítani az f = 1 / T frekvenciát.

Így lehet kiszámítani a frekvenciát oszcilloszkóppal történő méréskor: kiszámítják egy periódusban a sejtek számát, szorozva egy cella időtartamával, és megkapják az időszakot például mikrosekundumokban. És hogy megtudják a gyakoriságot, egyszerűen az utolsó képletet használják.

rendes elektronikus oszcilloszkóp Csak a periodikus jeleket figyeli, amelyek szinkronizálhatók a sweep frekvenciával a kutatáshoz megfelelő állókép elérése érdekében. Ha jelet küld egy zenei programnak az oszcilloszkóp bemenetére, akkor semmi esetre sem állíthatja le a képet. Az ilyen jelek megfigyelésére tároló oszcilloszkópokat használnak.

Ha egy periódust milliszekundumban mérnek, akkor a frekvenciát kilohertsekben kapják, mikroszekundumokban mért időszakra a frekvencia már megahertzben van kifejezve. Ez akkor történik, ha nem követi az SI rendszer követelményeit: periódus másodpercben, gyakoriság hertzben.

Nem szinuszos rezgések

Mint korábban említettük, a szinuszhullám a leggyakoribb, és alkalmas a periodikus görbe tanulmányozására és gyakorlati alkalmazására. Ipari körülmények között villamos generátorokkal állítják elő, például vízerőművekben. Az elektronikus eszközökben a legkülönbözőbb alakú rezgéseket használják.

Alapvetően ezek három forma: szinuszos, négyszögletes és háromszög alakú, amint azt az 1. ábra mutatja. Mind az áram, mind a feszültség lehet ilyen alakú, ezért az ábra csak az időtengelyt mutatja, az ordinátatengely név nélkül marad.

Az ilyen rezgéseket speciális elektronikus áramkörök generálják. A téglalap és a háromszög jeleket gyakran impulzusosnak hívják. Ugyanakkor nagyon sok olyan elektronikus áramkör működik, amely jelátváltást hajt végre: például egy téglalap vagy háromszög szinuszosból készülhet.

1. ábra

Mindhárom jel esetében az ábra két periódust mutat, az összes jel azonos frekvenciájú.

Nem szinuszos jelek spektruma

Bármely elektromos jel reprezentálható az amplitúdó mérésének egy bizonyos időpontban. Ezen minták frekvenciáját nevezzük mintavételi frekvenciának, amely legalább kétszer magasabb, mint a mért jel felső frekvenciája. Ezután ezekből a mintákból visszaállíthatja az eredeti jelet. Ezt a módszert például a digitális hangfelvételnél használják. Ezt a módszert időelemzésnek is nevezik.

Egy másik módszer feltételezi, hogy bármilyen jel, akár egy téglalap alakú is, ábrázolható a különböző frekvenciájú és fázisú szinuszok algebrai összegeként. Ezt a módszert nevezzük frekvenciaanalízisnek. De az, amit „eltérő frekvenciákkal” mondtak, nem teljesen igaz: az alkotó szinuszokat harmonikusnak nevezik, és frekvenciáik megfelelnek bizonyos törvényeknek.

Az a szinuszhullám, amelynek frekvenciája megegyezik a négyszöghullám frekvenciájával, alap- vagy első harmonikusnak nevezzük. A harmonikus harmonikus értékeket úgy kapjuk meg, hogy az alapfrekvenciát megszorozzuk a páros számmal, a páratlan harmonikusokat pedig a párosal.

Tehát, ha az első harmonikus frekvenciája 1000 Hz, akkor a második 2000 Hz, a negyedik pedig 4000 Hz stb. A páratlan harmonikusok frekvenciája 3000Hz, 5000Hz. Sőt, minden harmonikus kisebb amplitúdóban van, mint a fő: minél magasabb a harmonikus, annál kisebb az amplitúdó.

A zenében a harmonikusokat felhangoknak nevezik. Ők alkotják a hang hangját, lehetővé teszik a hegedű és a gitár, a gitár és a szaxofon megkülönböztetését. Nem teszik lehetővé a férfi és női hang összetévesztését, illetve Petrov és Ivanov megkülönböztetését. És csak maga a sinusoid nem bontható le vagy összeszerelhető semmilyen jelből.

A 2. ábra egy téglalap alakú impulzus felépítését mutatja.

2. ábra

Az első és a harmadik harmonikus ábrát az ábra felső részén mutatjuk be. Könnyű belátni, hogy a harmadik lépés első harmonikus három periódusának egy periódusában. Ebben az esetben a harmadik harmonikus amplitúdója az első egyharmada. Itt látható az első és a harmadik harmonikus összege is.

Az alábbiakban, az 1 és 3 harmonikus összegével együtt, további 5 harmonikus látható: egy téglalap alakú jel időszakára pontosan öt periódusra képes. Ebben az esetben amplitúdója még kisebb, pontosabban, pontosan a fő (első) egyötöde. De nem szabad azt gondolni, hogy minden az ötödik harmonikuson végződik: egyszerűen nem látható az ábrán, valójában sokkal több.

A 3. ábrán látható fűrészfog- és háromszögjelek kialakítása kissé bonyolultabb: ha az előző esetben csak páratlan harmonikusok vették részt, akkor még a harmonikusok is játszottak.

3. ábra

Így kijelenthetjük azt a tényt, hogy sok harmonikus segítségével bármilyen alakú jelet szintetizálunk, és a harmonikusok száma és típusa a hullámformától függ, amint azt a 2. és 3. ábra mutatja.

Az elektronikus berendezések javítása és beállítása során az elektromos jelek tanulmányozására oszcilloszkópot használnak. Ez lehetővé teszi, hogy megvizsgálja a periodikus jelek formáját, azok amplitúdóját, mérje meg az ismétlési periódust. A 2. és 3. ábrán bemutatott harmonikusok azonban nem láthatók.

Még ha például egy elektromos gitárt csatlakoztat egy oszcilloszkóphoz, húzzon egyet, akkor a képernyőn szinuszos megjelenik, ez is az első harmonikus. Ebben az esetben a felső hangokról nem lehet beszélni. Ugyanez a szinuszos eredmény akkor jön létre, ha befúj a csőbe vagy a mikrofon előtt fuvolál.

Hogyan lehet téglalap alakú impulzusokat kapni?

Az elektromos jelek megismerése után fel kell hívnunk a kondenzátorokat, amelyekkel a cikk elindult. Mindenekelőtt meg kell ismerkednie az egyik klasszikus elektronikai áramkörrel - multivibrátor(4. ábra), ő hozza létre téglalap alakú impulzusokat. Az áramkör annyira klasszikus, hogy azonnal működni kezd, anélkül, hogy bármiféle beállítást vagy beállítást igényelne.

4. ábra

A multivibrátor egy kétlépcsős erősítő, pozitív visszacsatolás fedezi. Ha az R1 = R4 kollektorterhelésellenállások akkor az R2 = R3 alapellenállások egyenlők, és a C1 = C2 kondenzátorok egyenlők, akkor a multivibrátort szimmetrikusnak nevezzük, és a meander típusú négyszöghullámú impulzusokat generál - az impulzus időtartama megegyezik a szünet időtartamával.

Az ilyen impulzusok ciklusa (az időszak és az impulzus időtartamának aránya) kettővel egyenlő. Az angol nyelvű rendszerekben minden pontosan ellenkezője: szolgálati ciklusnak hívják. Ezt az impulzus időtartamának és az egymás utáni időszaknak a hányadosaként számolják, és százalékban fejezik ki. Így a kanyargásnál a ciklus 50%.

Megfelelő a számítógép?

A multivibrátor nevét a holland fizikus, van der Pol javasolta, mivel a téglalap alakú jel spektruma sok harmonikát tartalmaz. Ezt akkor ellenőrizheti, ha a közepes hullámhosszon működő rádióvevőt egy olyan multivibrátor közelében helyezheti el, amely akár audio frekvencián is működik: üvöltések a hangszóróból jönnek. Ez arra utal, hogy a multivibrátor a hangfrekvencián kívül nagyfrekvenciás rezgéseket is kibocsát.

A generációs frekvencia meghatározásához az f = 700 / (C1 * R2) képletet használhatjuk.

A képlet ilyen formájával a kondenzátor kapacitása mikrofaradokban (μF), az ellenállás kilo-ohmban (KΩ), eredményül hertz (Hz). Így a frekvenciát a C1 * R2 áramkör időállandója határozza meg, a kollektorterhelések nem befolyásolják a frekvenciát. Ha C1 = 0,02 μF-t, R2 = 39 KΩ-t veszünk, akkor f = 700 / (0,02 * 39) = 897,4 Hz értéket kapunk.

Multivibrátor a számítógépek és a korszakban mikrokontroller Ez a séma szerint szinte soha nem használják, bár alkalmas lehet különféle kísérletekre. Mindenekelőtt számítógépek használata. Így néz ki a Multisim programban összeállított multivibrator áramkör. Itt látható az oszcilloszkóp csatlakoztatása is.

5. ábra

Ebben az áramkörben a kondenzátorok és ellenállások vannak felszerelve, mint az előző példában. A feladat a képlet alapján ellenőrizni a számítást, hogy ugyanazt a frekvenciát kapják-e. Ehhez mérje meg az impulzusok periódusát, majd számítsa újra újra a frekvenciát. A Multisim oszcilloszkóp eredményét a 6. ábra mutatja.

6. ábra

Néhány magyarázat a 6. ábrára.

Az oszcilloszkóp képernyőjén a piros impulzus a tranzisztor kollektorán, a kék az alapon jelenik meg. A képernyő alatt egy nagy fehér ablakban a számok mutatják a mérési eredményeket. Érdekelnek az "Idő" oszlop. Az időt a T1 és T2 mutatók (a képernyő feletti piros és kék háromszögek) mérik.

Így a T2-T1 = 1,107ms impulzus ismétlési periódust meglehetősen pontosan mutatjuk be. Csak az f = 1 / T = 1 / 1,107 * 1000 = 903Hz frekvencia kiszámítása marad.

Az eredmény majdnem ugyanaz, mint a képlet szerinti számításnál, amely kissé magasabb.

A kondenzátorok nem csak külön-külön használhatók: ellenállásokkal kombinálva lehetővé teszik a különféle szűrők vagy fázistolásos áramkörök létrehozását. Ezt azonban a következő cikkben tárgyaljuk.

A cikk folytatása: Kondenzátorok elektronikus áramkörökben. 2. rész

Boris Aladyshkin