Kondensatorer i elektroniska kretsar

I tidigare artiklar pratade vi kort om drift av kondensatorer i växelströmkretsar, hur och varför kondensatorer passerar växelström (se - AC-kondensatorer). I detta fall värms inte kondensatorerna, kraft tilldelas inte dem: i en halvvåg av sinusformen laddar kondensatorn, och i den andra laddas den naturligt ut, medan den lagrade energin överförs tillbaka till den aktuella källan.

Denna metod för att passera ström gör att du kan kalla kondensatorn ett fritt motstånd, och det är därför kondensatorn som är ansluten till uttaget inte får motvridningen. Och allt detta beror på att strömmen i kondensatorn är före exakt 1/4 av tiden som spänningen applicerar på den.

Men denna fasförbättring gör det möjligt inte bara att "lura" räknaren, utan gör det också möjligt att skapa olika kretsar, till exempel generatorer av sinusformade och rektangulära signaler, tidsförseningar och olika frekvensfilter.

I processen med den här historien måste man ibland komma ihåg vad som redan har sagts tidigare, så att säga, för att sammanfatta. Detta hjälper till att inte återgå till tidigare artiklar för att komma ihåg en enkel formel, eller helt enkelt "vad är det?"

Parallell- och seriekoppling av kondensatorer

Med en parallell anslutning av kondensatorer är den totala kapaciteten helt enkelt den aritmetiska summan av kapaciteterna. Naturligtvis kommer den totala kapacitansen med denna inkludering att vara större än kapaciteten för den största kondensatorn. Ctotal = C1 + C2 + C3 + ... + Cn.

När det gäller en seriekoppling är den totala kapaciteten mindre än den minsta.

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

När två identiska kondensatorer är anslutna i serie kommer den totala kapacitansen att vara lika med hälften av kapacitansen för en: till exempel, när du ansluter två kondensatorer på 1 uF vardera, kommer den totala kapacitansen att vara 0,5 uF.

Kapacitans Xc

Här är allt, precis som vid anslutning av motstånd, precis motsatsen: en seriekoppling minskar den totala kapacitansen och en parallell ökar den. Denna omständighet bör inte glömmas vid anslutning av kondensatorer, eftersom en ökning av kapacitansen leder till en minskning av kapaciteten Xc

Xc = 1/2 * π * f * C.

Från matematikens synvinkel är detta ganska naturligt, eftersom kapaciteten C är i nämnaren för bråket. Förresten, frekvensen f är på samma plats, så en ökning av frekvensen leder också till en minskning av kapacitansen Xc. Den fysiska betydelsen av detta är att genom samma kondensator är det bättre, mer obehindrat, att höga frekvenser passerar. Detta kommer att diskuteras lite senare när det gäller lågpass- och högpassfilter.

Om vi ​​tar en kondensator med en kapacitet på 1 μF, kommer Xc för en frekvens av 60 Hz att vara 2653 Ohms, och för en frekvens på 400 Hz har samma kondensator en Xc på endast 398 Ohms. De som önskar kan kontrollera dessa resultat med formeln genom att ersätta π = 3,14, frekvensen i hertz och kapacitansen i farader. Då blir resultatet i ohm. Allt måste följa SI-systemet!

Men kondensatorer används inte bara som fridämpande dämpningsmotstånd eller i likriktarfilter. Utan deras deltagande, kretsar för låg- och högfrekvensgeneratorer, olika vågformskonverterare, differentierande och integrerade kretsar, förstärkare och andra scheman.

Därefter beaktas olika elektriska signaler som kondensatorer måste arbeta med. Först och främst är det periodiska signaler som är lämpliga för observation med oscilloskop.

Period och frekvens av svängningar

Periodisk oscillation kallas därför periodisk, som utan upphörande upprepar samma form, till exempel en sinusformad oscillation. Varaktigheten för denna fulla svängning kallas exakt perioden T och mäts i sekunder, millisekunder, mikrosekunder.Modern elektronik handlar till och med med nanosekunder (en miljarddels sekund).

Antalet perioder per sekund kallas frekvensen (hur ofta) för svängningarna f och uttrycks i hertz. 1Hz är den frekvens vid vilken en svängning, en hel period, utförs på 1 sekund. Förhållandet mellan period och frekvens uttrycks med den enkla formeln T = 1 / f.

Följaktligen är det mycket enkelt att känna till svängningsperioden att beräkna frekvensen f = 1 / T.

Så här beräknas frekvensen vid mätning med ett oscilloskop: antalet celler i en period beräknas, multipliceras med varaktigheten för en cell, och perioden erhålls till exempel i mikrosekunder. Och för att ta reda på frekvensen använde de helt enkelt den sista formeln.

vanlig elektroniskt oscilloskop Tillåter dig att endast observera periodiska signaler som kan synkroniseras med svepfrekvensen för att få en stillbild lämplig för forskning. Om signalen från ett musikprogram sänds till ingången till oscilloskopet kommer du inte att kunna stoppa bilden för någonting. För att observera sådana signaler används lagringsoscilloskop.

När en period mäts i millisekunder, erhålles frekvensen i kilohertz, under en period uppmätt i mikrosekunder uttrycks frekvensen redan i megahertz. Detta är om du inte följer SI-systemets krav: period i sekunder, frekvens i hertz.

Icke sinusformade vibrationer

Som nämnts tidigare är en sinusvåg den vanligaste och lämpliga för studier och praktisk användning av den periodiska kurvan. Under industriella förhållanden erhålls det med elektriska generatorer, till exempel i vattenkraftverk. I elektroniska apparater används vibrationer med de mest olika formerna.

I grund och botten är dessa tre former: sinusformad, rektangulär och triangulär, som visas i figur 1. Både ström och spänning kan ha en sådan form, därför är det bara tidsaxeln som visas i figuren, ordinataxeln lämnas utan namn.

Sådana svängningar genereras av speciella elektroniska kretsar. Rektangulära och triangulära signaler kallas ofta pulsade. Det finns emellertid många elektroniska kretsar som utför signalomvandling: till exempel en rektangel, en triangel kan göras av en sinusoid.

Figur 1

För alla tre signalerna visar figuren två perioder, alla signaler har samma frekvens.

Spektrum av icke-sinusformade signaler

Varje elektrisk signal kan representeras som en mätning av amplituden vid någon tidpunkt. Frekvensen för dessa sampel kallas samplingsfrekvensen och minst två gånger högre än den uppmätta signalens övre frekvens. Sedan från dessa prover kan du återställa den ursprungliga signalen. Denna metod används till exempel vid digital ljudinspelning. Denna metod kallas också tidsanalys.

En annan metod antar att varje signal, även en rektangulär, kan representeras som den algebraiska summan av sinusoider med olika frekvenser och faser. Denna metod kallas frekvensanalys. Men vad som sades "med olika frekvenser" är inte helt sant: de ingående sinusoiderna kallas harmoniska och deras frekvenser följer vissa lagar.

En sinusvåg vars frekvens är lika med frekvensen för en kvadratvåg kallas den grundläggande eller första harmoniska. Även övertoner erhålls genom att multiplicera den grundläggande frekvensen med ett jämnt antal respektive udda övertoner med udda.

Således, om den första harmoniken har en frekvens av 1000 Hz, är den andra 2000 Hz, den fjärde är 4000 Hz, etc. Udda harmoniska har frekvenser på 3000Hz, 5000Hz. Dessutom är varje harmonisk mindre amplitud än den viktigaste: ju högre harmoniken är, desto mindre är amplituden.

I musik kallas övertoner övertoner. Det är de som bildar klangens klang, gör det möjligt att skilja fiolen från pianot och gitarren från saxofonen. De tillåter inte att förvirra den manliga och kvinnliga rösten eller att skilja Petrov från Ivanov. Och bara själva sinus kan inte längre sönderdelas eller monteras från några signaler.

Figur 2 visar konstruktionen av en rektangulär puls.

Figur 2

Den första och tredje övertonerna visas i figurens övre del. Det är lätt att se att under en period av de första harmoniska tre perioder av tredje passet. I detta fall är amplituden för den tredje harmoniken en tredjedel av den första. Summan av den första och den tredje harmoniken visas också här.

Nedan, tillsammans med summan av 1 och 3 övertoner, visas ytterligare 5 övertoner: för en period av en rektangulär signal lyckas den göra exakt fem perioder. I detta fall är dess amplitud ännu mindre, mer exakt, exakt 1/5 av den huvudsakliga (första). Men man bör inte tro att allt slutar på den femte harmoniken: det kan helt enkelt inte visas i figuren, det finns faktiskt mycket mer.

Bildningen av sågtand och triangulära signaler, som visas i figur 3., är något mer komplicerad. Om i föregående fall endast udda harmoniska spelade, kommer till och med harmoniska spel in.

Figur 3

Således kan vi säga det faktum att med hjälp av många övertoner syntetiseras en signal av vilken form som helst, och antalet och typen av övertoner beror på vågformen, som visas i figurerna 2 och 3.

Vid reparation och installation av elektronisk utrustning används ett oscilloskop för att studera elektriska signaler. Det låter dig ta hänsyn till formen av periodiska signaler, deras amplitud, mäta repetitionsperioden. Men de övertoner som visas i figurerna 2 och 3 kan inte ses.

Även om du till exempel ansluter en elektrisk gitarr till ett oscilloskop, drar en sträng, en sinusoid visas på skärmen, är det den första harmoniken. I det här fallet kan det inte vara prat om några övertoner. Samma sinusoid kommer att bli om du blåser in i röret eller flöjten framför mikrofonen.

Hur man får rektangulära impulser

Efter att ha blivit bekant med elektriska signaler måste vi återkalla kondensatorerna som artikeln började med. Först och främst bör du bekanta dig med en av de klassiska elektronikkretsarna - multivibratorn, (Figur 4) det är han som genererar rektangulära pulser. Kretsen är så klassisk att den börjar fungera direkt utan att kräva några inställningar eller justeringar.

Figur 4

Multivibratorn är en tvåstegsförstärkare som täcks av positiv feedback. Om kollektorbelastningsmotstånd R1 = R4, basmotstånd R2 = R3 och kondensatorerna C1 = C2 är lika, kallas multivibratorn symmetrisk och genererar kvadratiska vågpulser av slingrartyp - pulslängden är lika med pausvaraktigheten.

Pulscykeln för sådana pulser (förhållandet mellan perioden och pulslängden) är lika med två. I engelskspråkiga scheman är allt exakt motsatt: de kallar det pliktcykel. Det beräknas som förhållandet mellan pulsvaraktigheten och perioden efter dess följd och uttrycks i procent. Således är tullcykeln för slingrare 50%.

Är datorn korrekt?

Namnet multivibrator föreslogs av den holländska fysikern van der Pol, eftersom spektrumet för en rektangulär signal innehåller många övertoner. Du kan verifiera detta om du kan placera en radiomottagare som arbetar i mellanvågområdet nära en multivibrator som fungerar även med en ljudfrekvens: hyl kommer från högtalaren. Detta antyder att utöver ljudfrekvensen emitterar multivibratorn också högfrekvenssvängningar.

För att bestämma genereringsfrekvensen kan man använda formeln f = 700 / (C1 * R2).

Med denna form av formeln, kondensatorns kapacitans i mikrofarad (μF), motståndet i kilo-ohm (KΩ), resultatet i hertz (Hz). Frekvensen bestäms således av tidskonstanten för C1 * R2-kretsen; kollektorbelastningar påverkar inte frekvensen. Om vi ​​tar C1 = 0,02 μF, R2 = 39 KΩ, får vi f = 700 / (0,02 * 39) = 897,4 Hz.

Multivibrator i datorns ålder och mikrokontrollers Enligt detta schema används det nästan aldrig, även om det mycket väl kan vara lämpligt för olika experiment. Först av allt, att använda datorer. Så här ser multivibratorkretsen i Multisim-programmet ut. Anslutningen till oscilloskopet visas också här.

Figur 5

I denna krets installeras kondensatorer och motstånd som i föregående exempel. Uppgiften är att kontrollera beräkningen enligt formeln om samma frekvens kommer att erhållas. För att göra detta, mät pulsen och beräkna dem sedan i frekvens. Resultatet av Multisim-oscilloskopet visas i figur 6.

Figur 6

Några förklaringar till figur 6.

På oscilloskopskärmen visar den röda pulsen pulserna på transistorsamlaren och det blå på baserna. Under skärmen i ett stort vitt fönster visar siffrorna mätresultaten. Vi är intresserade av kolumnen "Tid". Tiden mäts med indikatorerna T1 och T2 (röda och blå trianglar ovanför skärmen).

Således visas pulsrepetitionsperioden T2-T1 = 1.107ms ganska exakt. Det återstår bara att beräkna frekvensen f = 1 / T = 1/1 107 * 1000 = 903Hz.

Resultatet är nästan samma som i beräkningen enligt formeln, som ges lite högre.

Kondensatorer kan inte bara användas separat: i kombination med motstånd kan de helt enkelt skapa olika filter eller skapa fasskiftkretsar. Men detta kommer att diskuteras i nästa artikel.

Fortsättning av artikeln: Kondensatorer i elektroniska kretsar. Del 2

Boris Aladyshkin