Конденсаторы в цепи переменного тока

June 26, 2010 by admin Комментировать »

Из этой большой темы мы здесь рассмотрим только самое необходимое. В дальнейшем мы будем иметь дело в основном с цепями постоянного тока или низкой частоты, и углубленное изучение поведения компонентов при высокой частоте нам не потребуется. В предыдущей фразе слова «низкой частоты» нужно понимать условно, и вот почему: любой перепад напряжения (например, при включении или выключении питания) есть импульс высокой частоты, и тем она выше, чем быстрее происходит сам процесс снижения или повышения напряжения. Если представить себе фронт импульса постоянного тока как сумму гармонических (то есть синусоидальных) колебаний*, то им­пульс этот предстанет перед нами, как сумма колебаний, начиная сверху с той частоты, при которой происходило бы наблюдающееся нами на деле на­растание (или спад) напряжения импульса, если бы сигнал был чисто гармо­нический. То есть если импульс строго прямоугольный, то эта самая верхняя частота должна быть равна бесконечности, чего на деле, конечно, не бывает, поэтому реальные импульсы всегда не строго прямоугольны. Прохождение прямоугольных импульсов через конденсаторы и резисторы мы рассмотрим далее, а пока изучим поведение конденсаторов в цепях с обычным синусои­дальным переменным током.

Постоянный ток конденсатор не пропускает по определению — так как пред­ставляет собой разрыв в цепи. Однако переменный ток через него протека­ет — при этом происходит постоянный перезаряд конденсатора, так как на­пряжение все время изменяется по величине и полярности. Поэтому конденсатор в цепи переменного тока можно представить себе, как некое со­противление— чем ниже емкость конденсатора, и чем ниже частота, тем выше величина этого условного сопротивления, которую можно подсчитать по формуле R = \l2nfC (если емкость С выражена в фарадах, а частота/в гер­цах, то сопротивление получится в омах). В пределе конденсаторы очень ма­лой емкости (которые представляют собой, как мы выяснили, почти все пары проводников на свете) будут выглядеть, как полные разрывы в цепи и ток в этой цепи будет исчезающе мал.

Сам по себе конденсатор в такой цепи энергии не потребляет (в отличие от обычного резистора), потому его сопротивление переменному току называют еще реактивным — в то время, как обычное резистивное сопротивление на­зывают активным (не путать с активными и пассивными компонентами схем, о которых шла речь в начале главы). Понять, почему так происходит, можно, если нарисовать графики тока и напряжения в цепи с конденсато­ром — ток опережает напряжение по фазе ровно на 90*2, поэтому их произве­дение, которое и есть потребляемая мощность по закону Джоуля-Ленца, в среднем равно нулю — можете проверить! Однако если в цепи присутствуют еще и обычные резисторы (а, как мы знаем, они всегда присутствуют — взять хотя бы сопротивление проводов), то этот реактивный ток приведет ко впол­не материальным потерям на их нагревание — именно поэтому, как мы упо­минали в главе 4, линии электропередач выгоднее делать на постоянном токе.

Дифференцирующие и интегрирующие цепи

Если подать на вход цепи, состоящей из резистора R и конденсатора С, пря­моугольный импульс напряжения, то результат будет различным в зависимо­сти от включения R и С. Переходные процессы в таких цепях подчиняются основным закономерностям, представленным на рис. 5.7, но имеют и свою специфику. На рис. 5.9 показаны два способа включения RC-цепочки в цепь с прямоугольными импульсами на входе (здесь они не такие, как на рис. 4.6, б, а однополярные, то есть напряжение меняется по величине, но от потенциала «земли» до напряжения источника питания).

Такое включение называется дифференцирующей цепочкой или фильтром высоких частот— потому что оно пропускает высокочастотные состав­ляющие, полностью отрезая постоянный ток. Чем больше постоянная време­ни RC в этой схеме, тем ниже частота, которая может быть пропущена без изменений — в пределе импульсы высокой частоты пройдут почти неизме­ненными. Наоборот, если постоянную времени уменьшать, то пики на графи­ке будут все больше утончаться. Этим эффектом широко пользуются для вы­деления фронтов и спадов прямоугольных импульсов (см. главу 16),

Так как через эти схемы постоянная составляющая напряжения не проходит, то полученные импульсы привязаны к выходному потенциалу схемы— в зависимости от того, куда подключен резистор. На графиках на рис. 5.9 рези­стор подключен к «земле» {а) или к источнику питания (б), потому и для вы­ходного напряжения базовым будет либо нулевой потенциал, либо потенциал источника (при этом амплитуда импульсов будет такой, как у входного на­пряжения). Но в принципе вы можете подключать резистор на выходе такой схемы к любому потенциалу: она все равно передаст только переменную со­ставляющую (мы еще с этим столкнемся при конструировании звукового усилителя).

clip_image002

Рис. 5.9. Дифференцирующие цепочки: а — при подключении резистора к нулевому потенциалу; б— к потенциалу источника питания

Этим широко пользуются при необходимости формирования двуполярного напряжения из имеющегрся однополярного или для умножения напряже­ния — если выходное напряжение на рис. 5.9, б пропустить через выпрями­тель и сглаживающий фильтр низкой частоты (см. далее, а также главу 9), то на выходе получится напряжение выше, чем напряжение питания, при­чем в отсутствие нагрузки оно будет в точности вдвое превышать исходное напряжение («удвоитель напряжения»). Иногда этот эффект вреден — по­дачей отрицательного или превышающего потенциал источника питания напряжения можно вывести из строя компоненты схемы (о защите от этого см. главы 11 и 16),

А интегрирующая цепочка (фильтр нижних частот) получается из схем рис. 5.9, если в них R и С поменять местами. График выходного напряжения будет соответствовать рис. 5.10. Такие цепочки, наоборот, пропускают по­стоянную составляющую, в то время как высокие частоты будут отрезаться. Если в такой цепочке увеличивать постоянную времени RC, то график будет становиться все более плоским — в пределе пройдет только постоянная со­ставляющая (которая для случая рис. 5.10 равна среднему значению исходно­го напряжения, то есть ровно половине его амплитуды). Этим широко поль­зуются при конструировании вторичных источников питания, в которых нужно отфильтровать переменную составляющую сетевого напряжения (см. главу 9), Интегрирующими свойствами обладает и обычный кабель из пары

clip_image004

Рис. S.10. Интегрирующая цепочка и ее график выходного напряжения в одном масштабе с входным

проводов, о котором мы упоминали ранее, потому-то и теряются высокие частоты при прохождении сигнала через него.

Оставить комментарий

Устройство витков выходе генератора импульсов микросхемы мощности нагрузки напряжение напряжения питания приемника пример провода работы радоэлектроника сигнал сигнала сигналов сопротивление схема теория транзистора транзисторов управления усиления усилитель усилителя устройства частоты