Kapasitor dalam litar elektronik

Dalam artikel sebelumnya, kita secara ringkas bercakap tentang operasi kapasitor dalam litar AC, bagaimana dan mengapa kapasitor melewati arus AC (lihat - Kapasitor AC) Dalam kes ini, kapasitor tidak panas, kuasa tidak diperuntukkan kepada mereka: dalam satu separuh gelombang sinusoid, caj kapasitor, dan yang lain, ia secara semulajadi dilepaskan, semasa memindahkan tenaga tersimpan kembali ke sumber semasa.

Kaedah lulus semasa ini membolehkan anda memanggil kapasitor sebagai rintangan bebas, dan itulah sebabnya mengapa kapasitor yang disambungkan ke salur keluar tidak membuat putaran kaunter. Dan semua ini adalah kerana semasa dalam kapasitor di hadapan tepat 1/4 masa voltan yang digunakan untuk itu.

Tetapi pendahuluan fasa ini membolehkan bukan sahaja "menipu" kaunter, tetapi juga memungkinkan untuk membuat pelbagai litar, contohnya, penjana sinusoidal dan isyarat segi empat tepat, penangguhan masa dan pelbagai penapis frekuensi.

Dalam proses kisah ini, seseorang kadang-kadang harus ingat apa yang telah dikatakan sebelum ini, jadi untuk bercakap, untuk meringkaskan. Ini akan membantu untuk tidak kembali ke artikel sebelum ini untuk mengingat formula mudah, atau semata-mata, "apa itu?"

Sambungan selari dan siri kapasitor

Dengan sambungan selari kapasitor, jumlah kapasiti adalah hanya jumlah aritmetik dari kapasiti. Sememangnya, dengan kemasukan ini, jumlah kapasitansi akan lebih besar daripada kapasiti kapasitor yang terbesar. Ctotal = C1 + C2 + C3 + ... + Cn.

Dalam hal sambungan siri, jumlah kapasiti kurang daripada yang terkecil.

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

Apabila dua kapasitor yang sama disambungkan secara bersiri, kapasitansian total akan sama dengan separuh daripada kapasitansi satu: sebagai contoh, apabila menyambung dua kapasitor sebanyak 1 μF setiap satu, jumlah kapasitansinya ialah 0.5 μF.

Kapasiti Xc

Di sini, segala-galanya, seperti ketika menyambung perintang, hanya bertentangan yang tepat: sambungan siri mengurangkan jumlah kapasitans, sementara satu selari meningkatkannya. Keadaan ini tidak boleh dilupakan apabila menyambungkan kapasitor, memandangkan peningkatan kapasitansi membawa kepada pengurangan kemuatan Xc

Xc = 1/2 * π * f * C.

Dari sudut pandangan matematik, ini agak semulajadi, kerana kapasiti C adalah dalam penyebut pecahan. Dengan cara ini, kekerapan f berada di tempat yang sama, jadi peningkatan kekerapan juga membawa kepada pengurangan kapasiti Xc. Makna fizikalnya ialah melalui kapasitor yang sama, lebih baik, lebih tidak terhalang, bahawa frekuensi tinggi berlalu. Ini akan dibincangkan sedikit kemudian, apabila ia datang kepada penapis rendah dan penapis tinggi.

Jika kita mengambil kapasitor dengan kapasiti 1 μF, maka untuk frekuensi 60 Hz Xcnya akan menjadi 2653 Ohms, dan untuk frekuensi 400 Hz kapasitor yang sama mempunyai Xc hanya 398 Ohms. Mereka yang ingin dapat menyemak hasil ini dengan formula, menggantikan π = 3.14, kekerapan dalam hertz, dan kapasitans dalam farads. Kemudian hasilnya akan berada di ohms. Semuanya mesti mematuhi sistem SI!

Tetapi kapasitor digunakan bukan sahaja sebagai redaman redaman redaman atau dalam penapis penerus. Tanpa penyertaan mereka, litar untuk penjana frekuensi rendah dan tinggi, pelbagai penukar gelombang, membezakan dan mengintegrasikan litar, penguat dan skim lain.

Seterusnya, pelbagai isyarat elektrik yang perlu dipertimbangkan oleh kapasitor. Pertama sekali, ini adalah isyarat berkala yang sesuai untuk pemerhatian dengan oscilloscope.

Tempoh dan kekerapan ayunan

Oleh itu, ayunan berkala dipanggil berkala, yang, tanpa henti, mengulangi bentuk yang sama, sebagai contoh, satu ayunan sinusoidal. Tempoh ayunan penuh ini tepat dipanggil tempoh T, dan diukur dalam beberapa saat, milisaat, mikrosecond.Elektronik moden juga berkaitan dengan nanodetik (satu bilion saat).

Bilangan tempoh sesaat dipanggil frekuensi (berapa kerap) ayunan f, dan dinyatakan dalam hertz. 1Hz adalah frekuensi di mana satu ayunan, satu tempoh penuh, dilakukan dalam 1 saat. Nisbah tempoh dan kekerapan dinyatakan dengan formula mudah T = 1 / f.

Oleh itu, mengetahui tempoh ayunan, sangat mudah untuk mengira kekerapan f = 1 / T.

Inilah bagaimana frekuensi dikira apabila mengukur dengan osiloskop: bilangan sel dalam tempoh dikira, didarab dengan tempoh satu sel, dan tempoh diperolehi, sebagai contoh, dalam mikroseku. Dan untuk mengetahui frekuensi, mereka hanya menggunakan formula yang terakhir.

Biasa oscilloscope elektronik Membolehkan anda untuk melihat hanya isyarat berkala yang boleh disegerakkan dengan kekerapan menyapu untuk mendapatkan imej pegun yang sesuai untuk penyelidikan. Sekiranya isyarat program muzik dihantar ke input oscilloscope, maka anda tidak akan dapat menghentikan imej untuk apa-apa. Untuk memerhatikan isyarat tersebut, oscilloscopes penyimpanan digunakan.

Apabila tempoh diukur dalam milisaat, frekuensi diperoleh dalam kilohertz, untuk tempoh yang diukur dalam mikrosecond, kekerapan telah dinyatakan dalam megahertz. Ini jika anda tidak mengikuti keperluan sistem SI: tempoh dalam saat, kekerapan dalam hertz.

Getaran bukan sinusoid

Seperti yang disebutkan sebelumnya, gelombang sinus adalah yang paling biasa dan sesuai untuk kajian dan penggunaan praktikal lengkung berkala. Dalam keadaan perindustrian, ia diperolehi menggunakan penjana elektrik, contohnya, dalam loji janakuasa hidroelektrik. Dalam peranti elektronik, getaran bentuk yang paling pelbagai digunakan.

Pada dasarnya, ini adalah tiga bentuk: sinusoidal, segiempat tepat dan segi tiga, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 1. Kedua-dua arus dan voltan boleh mempunyai apa-apa bentuk, oleh itu, hanya paksi masa ditunjukkan dalam angka, paksi ordinat dibiarkan tanpa nama.

Ayunan sedemikian dihasilkan oleh litar elektronik khas. Isyarat segiempat tepat dan segi tiga sering dipanggil berdenyut. Walau bagaimanapun, terdapat banyak litar elektronik yang melakukan penukaran isyarat: sebagai contoh, segi empat tepat, segi tiga boleh dibuat dari sinusoid.

Rajah 1

Untuk ketiga-tiga isyarat, angka menunjukkan dua tempoh, semua isyarat mempunyai kekerapan yang sama.

Spektrum isyarat bukan sinusoidal

Mana-mana isyarat elektrik boleh diwakili sebagai pengukuran amplitud pada suatu ketika. Kekerapan sampel ini dipanggil kekerapan sampel, dan sekurang-kurangnya dua kali lebih tinggi daripada frekuensi atas isyarat yang diukur. Kemudian dari sampel ini, anda boleh memulihkan isyarat asal. Kaedah ini digunakan, sebagai contoh, dalam rakaman bunyi digital. Kaedah ini juga dipanggil analisis masa.

Kaedah lain mengandaikan bahawa sebarang isyarat, walaupun satu segi empat tepat, boleh diwakili sebagai jumlah sinusoid algebra dengan frekuensi dan fasa yang berlainan. Kaedah ini dipanggil analisis frekuensi. Tetapi, apa yang dikatakan "dengan frekuensi yang berbeza" tidak sepenuhnya benar: sinusoid konstituen dipanggil harmonik dan frekuensi mereka mematuhi undang-undang tertentu.

Gelombang sinus yang kekerapannya bersamaan dengan kekerapan gelombang persegi dipanggil harmonik asas atau pertama. Bahkan harmonik didapatkan dengan mendarabkan frekuensi asas dengan bilangan yang sama, dan harmonik ganjil, masing-masing, dengan ganjil.

Oleh itu, jika harmonik pertama mempunyai kekerapan 1000 Hz, maka yang kedua ialah 2000 Hz, yang keempat ialah 4000 Hz, dan sebagainya. Harmonik yang ganjil akan mempunyai kekerapan 3000Hz, 5000Hz. Selain itu, setiap harmonik lebih kecil dalam amplitud daripada yang utama: semakin tinggi harmonik, semakin kecil amplitud.

Dalam muzik, harmonik dipanggil berlebihan. Mereka membentuk bunyi bunyi, memungkinkan untuk membezakan biola dari piano, dan gitar dari saksofon. Mereka tidak membenarkan untuk mengelirukan suara lelaki dan perempuan atau membezakan Petrov dari Ivanov. Dan hanya sinusoid itu sendiri tidak boleh lagi diuraikan atau dipasang dari sebarang isyarat.

Rajah 2 menunjukkan pembinaan sebuah nadi segi empat tepat.

Rajah 2

Harmonik pertama dan ketiga ditunjukkan di bahagian atas angka tersebut. Adalah mudah untuk melihat bahawa dalam satu tempoh tiga harmonik pertama pasca ketiga. Dalam kes ini, amplitud harmonik ketiga adalah satu pertiga daripada yang pertama. Jumlah harmonik pertama dan ketiga juga ditunjukkan di sini.

Di bawah, bersama-sama dengan jumlah harmonik 1 dan 3, satu lagi 5 harmonik ditunjukkan: untuk tempoh isyarat segi empat tepat ia dapat melakukan tepat lima tempoh. Dalam kes ini, amplitudnya lebih kecil, lebih tepatnya, betul-betul 1/5 daripada yang utama (pertama). Tetapi orang tidak boleh berfikir bahawa semuanya berakhir pada harmonik kelima: dalam angka itu tidak mungkin untuk menunjukkan segala-galanya, sebenarnya ada banyak lagi.

Pembentukan gergaji gergaji dan isyarat segitiga, yang ditunjukkan dalam Rajah 3, agak rumit. Jika dalam kes sebelumnya hanya harmonik ganjil mengambil bahagian, maka harmonik juga akan dimainkan.

Rajah 3

Oleh itu, kita dapat menyatakan fakta bahawa dengan bantuan banyak harmonik isyarat apa-apa bentuk disintesis, dan bilangan dan jenis harmonik bergantung kepada bentuk gelombang, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 2 dan 3.

Apabila membaiki dan menubuhkan peralatan elektronik, osiloskop digunakan untuk mengkaji isyarat elektrik. Ia membolehkan anda untuk mempertimbangkan bentuk isyarat berkala, amplitud mereka, mengukur tempoh pengulangan. Tetapi harmoni yang ditunjukkan dalam Rajah 2 dan 3 tidak dapat dilihat.

Walaupun anda menyambung, sebagai contoh, gitar elektrik ke osiloskop, tarik satu rentetan, sinusoid muncul di skrin, ia adalah harmonik pertama. Dalam kes ini, tidak ada sebarang perbincangan mengenai apa-apa kesan. Sinusoid yang sama akan berlaku jika anda meniup ke dalam paip atau suling di depan mikrofon.

Bagaimana untuk mendapatkan impuls segi empat

Setelah mengenali isyarat elektrik, kita perlu mengingat kapasitor yang mana artikel itu bermula. Pertama sekali, anda harus berkenalan dengan salah satu litar elektronik klasik - multivibrator, (Rajah 4) dia yang menghasilkan pulsa segiempat tepat. Litar begitu klasik sehingga ia mula bekerja dengan segera tanpa memerlukan sebarang tetapan atau penyesuaian.

Rajah 4

Multivibrator adalah penguat dua peringkat, diliputi oleh maklum balas positif. Jika beban pemungut beban R1 = R4, resistor asas R2 = R3 dan kapasitor C1 = C2 adalah sama, multivibrator dipanggil simetri dan menghasilkan denyutan gelombang persegi jenis meander - tempoh denyut adalah sama dengan tempoh jeda.

Kitaran duti pulsa (nisbah tempoh kepada tempoh denyut) adalah sama dengan dua. Dalam skema bahasa Inggeris, semuanya adalah sebaliknya: mereka menyebutnya kitaran tugas. Ia dikira sebagai nisbah tempoh nadi hingga tempoh penggantiannya dan dinyatakan sebagai peratusan. Oleh itu, untuk kitaran, kitaran tugas adalah 50%.

Adakah komputer betul?

Nama multivibrator dicadangkan oleh ahli fizik Belanda van der Pol, kerana spektrum isyarat persegi panjang mengandungi banyak harmonik. Anda boleh mengesahkan ini jika anda boleh meletakkan penerima radio yang beroperasi dalam julat gelombang sederhana berhampiran multivibrator yang berfungsi walaupun pada kekerapan audio: lekuk-lekuk akan datang dari pembesar suara. Ini menunjukkan bahawa sebagai tambahan kepada frekuensi bunyi, multivibrator juga mengeluarkan ayunan frekuensi tinggi.

Untuk menentukan frekuensi generasi, seseorang boleh menggunakan formula f = 700 / (C1 * R2).

Dengan bentuk formula ini, kapasitansi kapasitor dalam mikrofarad (μF), rintangan dalam kilo-ohms (KΩ), menghasilkan hertz (Hz). Oleh itu, kekerapan ditentukan oleh pemalar masa litar C1 * R2; beban pengumpul tidak menjejaskan kekerapan. Sekiranya kita mengambil C1 = 0.02 μF, R2 = 39 KΩ, maka kita dapat f = 700 / (0.02 * 39) = 897.4 Hz.

Multivibrator dalam umur komputer dan mikrokontroler Mengikut skim ini, ia hampir tidak pernah digunakan, walaupun ia mungkin sesuai untuk pelbagai eksperimen. Pertama sekali, menggunakan komputer. Ini adalah bagaimana litar multivibrator dipasang dalam program Multisim kelihatan seperti. Sambungan osiloskop juga ditunjukkan di sini.

Rajah 5

Dalam litar ini, kapasitor dan perintang dipasang seperti contoh sebelumnya. Tugasnya adalah untuk memeriksa pengiraan mengikut formula sama ada kekerapan yang sama akan diperolehi. Untuk melakukan ini, mengukur tempoh denyutan, dan kemudian mengira semula mereka secara kekerapan. Hasil osiloskop Multisim ditunjukkan dalam Rajah 6.

Rajah 6

Beberapa penjelasan kepada Rajah 6.

Pada skrin oscilloscope, nadi merah menunjukkan denyutan pada pengumpul transistor, dan biru di pangkal. Di bawah skrin dalam tingkap putih yang besar, angka menunjukkan hasil pengukuran. Kami berminat dalam lajur "Masa". Masa diukur oleh penunjuk T1 dan T2 (segitiga merah dan biru di atas skrin).

Oleh itu, tempoh pengulangan pulse T2-T1 = 1.107ms ditunjukkan agak tepat. Ia tetap hanya untuk mengira frekuensi f = 1 / T = 1 / 1,107 * 1000 = 903Hz.

Hasilnya hampir sama dengan pengiraan mengikut rumus, yang diberikan sedikit lebih tinggi.

Kapasitor boleh digunakan bukan sahaja secara berasingan: digabungkan dengan perintang, mereka membolehkan anda membuat pelbagai penapis atau membuat litar peralihan fasa. Tetapi ini akan dibincangkan dalam artikel seterusnya.

Penerusan artikel: Kapasitor dalam litar elektronik. Bahagian 2

Boris Aladyshkin