Condensatoren in elektronische schakelingen

In eerdere artikelen hebben we het kort gehad over de werking van condensatoren in wisselstroomcircuits, hoe en waarom condensatoren wisselstroom doorlaten (zie - AC condensatoren). In dit geval worden de condensatoren niet warm, wordt er geen vermogen aan hen toegewezen: in de ene halve golf van de sinusoïde laadt de condensator op en in de andere ontlaadt deze op natuurlijke wijze, terwijl de opgeslagen energie terug wordt overgedragen naar de huidige bron.

Met deze methode voor het doorgeven van stroom kunt u de condensator een vrije weerstand noemen, en daarom laat de condensator die op het stopcontact is aangesloten de teller niet draaien. En dit alles omdat de stroom in de condensator precies 1/4 van de tijd is waarop de spanning erop wordt aangelegd.

Maar deze fasevoortgang maakt het niet alleen mogelijk om de teller te "misleiden", maar maakt het ook mogelijk om verschillende circuits te creëren, bijvoorbeeld generatoren van sinusvormige en rechthoekige signalen, tijdvertragingen en verschillende frequentiefilters.

Tijdens het proces van dit verhaal zal het nodig zijn om soms te herinneren wat al eerder is gezegd, om zo te zeggen, samen te vatten. Dit helpt om niet terug te keren naar eerdere artikelen om een ​​eenvoudige formule op te roepen, of simpelweg: "wat is het?"

Parallelle en seriële aansluiting van condensatoren

Met een parallelle aansluiting van condensatoren is de totale capaciteit eenvoudig de rekenkundige som van de capaciteiten. Uiteraard zal met deze opname de totale capaciteit groter zijn dan de capaciteit van de grootste condensator. Ctotaal = C1 + C2 + C3 + ... + Cn.

In het geval van een serieverbinding is de totale capaciteit minder dan die van de kleinste.

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

Wanneer twee identieke condensatoren in serie worden geschakeld, zal de totale capaciteit gelijk zijn aan de helft van de capaciteit van één: bijvoorbeeld, bij het aansluiten van twee condensatoren van elk 1 µF, zal de totale capaciteit 0,5 µF zijn.

Capaciteit Xc

Hier is alles, net als bij het aansluiten van weerstanden, precies het tegenovergestelde: een serieverbinding vermindert de totale capaciteit, terwijl een parallelle deze verhoogt. Deze omstandigheid moet niet worden vergeten bij het aansluiten van condensatoren, omdat een toename van de capaciteit leidt tot een afname van de capaciteit Xc

Xc = 1/2 * π * f * C.

Vanuit wiskundig oogpunt is dit vrij natuurlijk, omdat de capaciteit C in de noemer van de breuk ligt. Overigens bevindt de frequentie f zich op dezelfde plaats, dus een toename van de frequentie leidt ook tot een afname van de capaciteit Xc. De fysieke betekenis hiervan is dat het door dezelfde condensator beter, ongehinderd, is dat hoge frequenties passeren. Dit zal iets later worden besproken, als het gaat om de low-pass en high-pass filters.

Als we een condensator met een capaciteit van 1 μF nemen, dan is voor een frequentie van 60 Hz zijn Xc 2653 Ohm en voor een frequentie van 400 Hz heeft dezelfde condensator een Xc van slechts 398 Ohm. Degenen die dit wensen, kunnen deze resultaten controleren door de formule, waarbij π = 3,14, de frequentie in Hertz en de capaciteit in farads worden vervangen. Dan zal het resultaat in ohm zijn. Alles moet voldoen aan het SI-systeem!

Maar condensatoren worden niet alleen gebruikt als vrij dempende weerstanden of in gelijkrichterfilters. Zonder hun deelname, schakelingen voor laag- en hoogfrequente generatoren, verschillende golfvormomzetters, differentiërende en integrerende schakelingen, versterkers en andere schema's.

Vervolgens zullen verschillende elektrische signalen worden overwogen waarmee condensatoren moeten werken. Allereerst zijn dit periodieke signalen die geschikt zijn voor observatie met oscilloscoop.

Periode en frequentie van oscillaties

Periodieke oscillatie wordt daarom periodiek genoemd, die zonder ophouden dezelfde vorm herhaalt, bijvoorbeeld één sinusvormige oscillatie. De duur van deze volledige swing wordt precies de periode T genoemd en wordt gemeten in seconden, milliseconden, microseconden.Moderne elektronica heeft zelfs te maken met nanoseconden (een miljardste van een seconde).

Het aantal periodes per seconde wordt de frequentie (hoe vaak) van de oscillaties f genoemd en wordt uitgedrukt in Hertz. 1Hz is de frequentie waarmee één oscillatie, één volledige periode, wordt uitgevoerd in 1 seconde. De verhouding van de periode en frequentie wordt uitgedrukt door de eenvoudige formule T = 1 / f.

Dienovereenkomstig is het, wetende de oscillatieperiode, zeer eenvoudig om de frequentie f = 1 / T te berekenen.

Dit is hoe de frequentie wordt berekend bij het meten met een oscilloscoop: het aantal cellen in een periode wordt berekend, vermenigvuldigd met de duur van één cel, en de periode wordt bijvoorbeeld verkregen in microseconden. En om de frequentie te achterhalen, gebruikten ze gewoon de laatste formule.

gewoon elektronische oscilloscoop Hiermee kunt u alleen periodieke signalen waarnemen die kunnen worden gesynchroniseerd met de sweepfrequentie om een ​​stilstaand beeld te verkrijgen dat geschikt is voor onderzoek. Als u een signaal naar een muziekprogramma stuurt naar de ingang van de oscilloscoop, kunt u de afbeelding nergens voor stoppen. Om dergelijke signalen waar te nemen, worden opslagoscilloscopen gebruikt.

Wanneer een periode wordt gemeten in milliseconden, wordt de frequentie verkregen in kilohertz, voor een periode gemeten in microseconden wordt de frequentie al uitgedrukt in megahertz. Dit is als u zich niet aan de vereisten van het SI-systeem houdt: periode in seconden, frequentie in Hertz.

Niet-sinusvormige trillingen

Zoals eerder vermeld, is een sinusgolf de meest voorkomende en geschikt voor studie en praktisch gebruik van de periodieke curve. In industriële omstandigheden wordt het verkregen met behulp van elektrische generatoren, bijvoorbeeld in waterkrachtcentrales. In elektronische apparaten worden trillingen van de meest verschillende vormen gebruikt.

In principe zijn dit drie vormen: sinusvormig, rechthoekig en driehoekig, zoals weergegeven in figuur 1. Zowel stroom als spanning kunnen een dergelijke vorm hebben, daarom toont de figuur alleen de tijdas, de ordinaatas wordt zonder naam gelaten.

Dergelijke trillingen worden gegenereerd door speciale elektronische circuits. Rechthoekige en driehoekige signalen worden vaak gepulseerd genoemd. Er zijn echter veel elektronische circuits die signaalconversie uitvoeren: bijvoorbeeld een rechthoek, een driehoek kan worden gemaakt van een sinusoïde.

Figuur 1

Voor alle drie signalen toont de figuur twee periodes, alle signalen hebben dezelfde frequentie.

Spectrum van niet-sinusvormige signalen

Elk elektrisch signaal kan op enig moment worden weergegeven als een meting van de amplitude. De frequentie van deze monsters wordt de bemonsteringsfrequentie genoemd, en ten minste twee keer hoger dan de bovenste frequentie van het gemeten signaal. Vervolgens kunt u van deze voorbeelden het oorspronkelijke signaal herstellen. Deze methode wordt bijvoorbeeld gebruikt bij digitale geluidsopname. Deze methode wordt ook tijdanalyse genoemd.

Een andere methode veronderstelt dat elk signaal, zelfs een rechthoekig signaal, kan worden weergegeven als de algebraïsche som van sinusoïden met verschillende frequenties en fasen. Deze methode wordt frequentieanalyse genoemd. Maar wat werd gezegd "met verschillende frequenties" is niet helemaal waar: de samenstellende sinusoïden worden harmonischen genoemd en hun frequenties voldoen aan bepaalde wetten.

Een sinusgolf waarvan de frequentie gelijk is aan de frequentie van een blokgolf, wordt de fundamentele of eerste harmonische genoemd. Even harmonischen worden verkregen door de fundamentele frequentie te vermenigvuldigen met een even getal, respectievelijk oneven harmonischen met oneven.

Dus als de eerste harmonische een frequentie heeft van 1000 Hz, dan is de tweede 2000 Hz, de vierde is 4000 Hz, enz. Oneven harmonischen hebben frequenties van 3000Hz, 5000Hz. Bovendien is elke harmonische kleiner in amplitude dan de hoofd: hoe hoger de harmonische, hoe kleiner de amplitude.

In muziek worden harmonischen boventonen genoemd. Zij zijn het die het timbre van geluid vormen, het mogelijk maken om de viool te onderscheiden van de piano, en de gitaar van de saxofoon. Ze laten niet toe om de mannelijke en vrouwelijke stem te verwarren of om Petrov van Ivanov te onderscheiden. En alleen de sinusoïde zelf kan niet langer worden ontbonden of samengesteld uit signalen.

Figuur 2 toont de constructie van een rechthoekige puls.

Figuur 2

De eerste en derde harmonischen worden in het bovenste deel van de figuur getoond. Het is gemakkelijk om te zien dat in een periode van de eerste harmonische drie periodes van de derde pas. In dit geval is de amplitude van de derde harmonische een derde van de eerste. De som van de eerste en derde harmonischen wordt hier ook weergegeven.

Hieronder, samen met de som van 1 en 3 harmonischen, worden nog eens 5 harmonischen weergegeven: voor een periode van een rechthoekig signaal slaagt het erin om precies vijf perioden te doen. In dit geval is zijn amplitude nog kleiner, meer precies, precies 1/5 van de hoofd (eerste). Maar je moet niet denken dat alles eindigt bij de vijfde harmonische: het kan gewoon niet in de figuur worden getoond, in feite zijn er veel meer.

De vorming van zaagtand en driehoekige signalen, getoond in figuur 3, is iets gecompliceerder: als in het vorige geval slechts oneven harmonischen deelnamen, dan spelen zelfs harmonischen een rol.

Figuur 3

We kunnen dus stellen dat met behulp van vele harmonischen een signaal van elke vorm wordt gesynthetiseerd en het aantal en type harmonischen afhankelijk is van de golfvorm, zoals weergegeven in de figuren 2 en 3.

Bij het repareren en instellen van elektronische apparatuur wordt een oscilloscoop gebruikt om elektrische signalen te bestuderen. Hiermee kunt u de vorm van periodieke signalen, hun amplitude, overwegen om de herhalingsperiode te meten. Maar de in de figuren 2 en 3 getoonde harmonischen kunnen niet worden gezien.

Zelfs als u bijvoorbeeld een elektrische gitaar op een oscilloscoop aansluit, aan een snaar trekt, verschijnt een sinusoïde op het scherm, het is ook de eerste harmonische. In dit geval kan er geen sprake zijn van boventonen. Dezelfde sinusoïde ontstaat als u in de pijp of fluit voor de microfoon blaast.

Hoe rechthoekige impulsen te krijgen

Nadat we kennis hebben gemaakt met elektrische signalen, moeten we de condensatoren oproepen waarmee het artikel is begonnen. Allereerst moet u kennis maken met een van de klassieke elektronische circuits - multivibrator, (Figuur 4) hij is het die rechthoekige pulsen genereert. Het circuit is zo klassiek dat het meteen begint te werken zonder dat er instellingen of aanpassingen nodig zijn.

Figuur 4

De multivibrator is een tweetrapsversterker met positieve feedback. Als de collectorbelastingsweerstanden R1 = R4, de basisweerstanden R2 = R3 en de condensatoren C1 = C2 gelijk zijn, wordt de multivibrator symmetrisch genoemd en genereert blokgolfpulsen van het meandertype - de pulsduur is gelijk aan de pauzeduur.

De duty cycle van dergelijke pulsen (de verhouding tussen de periode en de pulsduur) is gelijk aan twee. In Engelstalige schema's is alles precies het tegenovergestelde: ze noemen het duty cycle. Het wordt berekend als de verhouding van de pulsduur tot de periode van zijn opvolging en wordt uitgedrukt als een percentage. Voor de meander is de duty cycle dus 50%.

Is de computer correct?

De naam multivibrator is voorgesteld door de Nederlandse natuurkundige van der Pol, omdat het spectrum van een rechthoekig signaal veel harmonischen bevat. U kunt dit controleren als u een radio-ontvanger in het middengolfbereik in de buurt van een multivibrator kunt plaatsen die zelfs op een audiofrequentie werkt: het gehuil komt uit de luidspreker. Dit suggereert dat de multivibrator naast geluidsfrequentie ook hoogfrequente trillingen uitzendt.

Om de generatiefrequentie te bepalen, kan men de formule f = 700 / (C1 * R2) gebruiken.

Met deze vorm van de formule, de capaciteit van de condensator in microfarads (μF), de weerstand in kilo-ohm (KΩ), het resultaat in Hertz (Hz). De frequentie wordt dus bepaald door de tijdconstante van het C1 * R2-circuit; collectorbelastingen hebben geen invloed op de frequentie. Als we C1 = 0,02 μF, R2 = 39 KΩ nemen, krijgen we f = 700 / (0,02 * 39) = 897,4 Hz.

Multivibrator in het tijdperk van computers en microcontrollers Volgens dit schema wordt het bijna nooit gebruikt, hoewel het misschien geschikt is voor verschillende experimenten. Allereerst met behulp van computers. Zo ziet het multivibratorcircuit in het Multisim-programma eruit. De verbinding van de oscilloscoop wordt hier ook weergegeven.

Figuur 5

In dit circuit zijn condensatoren en weerstanden geïnstalleerd zoals in het vorige voorbeeld. De taak is om de berekening volgens de formule te controleren of dezelfde frequentie zal worden verkregen. Om dit te doen, meet u de periode van de pulsen en herberekent u ze vervolgens in frequentie. Het resultaat van de Multisim-oscilloscoop is weergegeven in figuur 6.

Figuur 6

Enkele verduidelijkingen bij figuur 6.

Op het oscilloscoopscherm toont de rode puls de pulsen op de transistorcollector en de blauwe op de basissen. Onder het scherm in een groot wit venster, tonen de cijfers de meetresultaten. Wij zijn geïnteresseerd in de kolom "Tijd". Tijd wordt gemeten door indicatoren T1 en T2 (rode en blauwe driehoeken boven het scherm).

Aldus wordt de pulsherhalingsperiode T2-T1 = 1,107 ms vrij nauwkeurig weergegeven. Het blijft alleen om de frequentie f = 1 / T = 1 / 1.107 * 1000 = 903Hz te berekenen.

Het resultaat is bijna hetzelfde als in de berekening volgens de formule, die iets hoger wordt gegeven.

Condensatoren kunnen niet alleen afzonderlijk worden gebruikt: in combinatie met weerstanden kunt u eenvoudig verschillende filters maken of faseverschuivingscircuits maken. Maar dit zal in het volgende artikel worden besproken.

Vervolg van het artikel: Condensatoren in elektronische schakelingen. Deel 2

Boris Aladyshkin