Лекция
Привет, Вы узнаете о том , что такое применение конденсаторов, Разберем основные их виды и особенности использования. Еще будет много подробных примеров и описаний. Для того чтобы лучше понимать что такое применение конденсаторов, резистивно емкостная цепь, разделительный конденсатор, развязывающий конденсатор, сглаживающий конденсатор, демпфирующий конденсатор, rcd-снаббер , рабочий и пусковой конденсаторы, блокировочный конденсатор, блокирующий конденсатор, помехоподавляющие конденсаторы, x-конденсаторы, y- конденсаторы , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Электротехника, Схемотехника, Аналоговые устройства.
Создание связи по переменному току необходимо, чтобы запретить протекание постоянного тока между определенными точками схемы и обеспечить при этом свободное прохождение переменного тока. Электронные компоненты, обеспечивающие связь по переменному току, например конденсаторы или трансформаторы, обычно устанавливаются на входе и выходе усилителя. Таким образом, заданный режим покоя (статический режим) транзистора не влияет на статические режимы предыдущего и последующего каскадов.
В схеме, приведенной на рис. 23.1. конденсатор связывает точки А и В по переменному току, aR – нагрузочный резистор. Для постоянного тока конденсатор действует как разрыв цепи, полностью блокируя протекание постоянного тока между точками А и В. По этой причине конденсатор связи называют блокировочным или разделительным конденсатором.
Удовлетворительное качество связи по переменному току достигается только в том случае, когда реактивное сопротивление Хс конденсатора на рабочей частоте много меньше сопротивления нагрузочного резистора R. Тогда на этом конденсаторе падает (и теряется) очень малая часть напряжения входного сигнала. Например, если Vвх = 100 мВ, то связь по переменному току можно считать удовлетворительной, когда выходное напряжение Vвых = 95 мВ и на разделительном конденсаторе падает 5 мВ (5%). Требуемую емкость разделительного конденсатора определяют два фактора.
1. Сопротивление загрузочного резистора R. Считая, что удовлетворительная связь но переменному току достигается, когда Хс = R/20, для R = 1 кОм получаем Хс = 50 Ом.
Рис. 23.1. Установка разделительного Рис. 23.2. Влияние развязывающего конденсатора. конденсатора.
Указаны потенциалы точки А без развязывающего конденсатора (а) и с развязывающим конденсатором (б).
Предположим, что рабочая частота f = 300 Гц. Поскольку Хc = 1/2πfC1, то
Если сопротивление нагрузочного резистора увеличить до 100 кОм, то Хc= R/20 = 1/20·100 = 5 кОм
Таким образом, если сопротивление нагрузочного резистора увеличить в 100 раз (с 1 кОм до 100 кОм), то емкость разделительного конденсатора можно уменьшить в той же пропорции (с 10 мкФ до 0,1 мкФ).
Вообще, чем больше сопротивление нагрузочного резистора, тем меньше требуемая емкость разделительного конденсатора.
2. Рабочая частота. Возьмем в качестве исходного вышеприведенный пример, где удовлетворительная связь по переменному току достигалась при С = 10 мкФ и R = 1 кОм для f = 300 Гц.
Если теперь рабочую частоту увеличить до 300 кГц, то с учетом условия Хс = R/20 = 50Ом получаем
Таким образом, если рабочую частоту увеличить в 1000 раз (с 300 Гц до 300 кГц), то емкость разделительного конденсатора можно уменьшить в 1000 раз (с 10 мкФ до 0,01 мкФ).
Вообще, при заданном сопротивлении нагрузочного резистора для низких рабочих частот необходимо использовать разделительные конденсаторы большой емкости, и наоборот.
Когда речь идет о рабочем диапазоне частот, емкость разделительного конденсатора определяется наименьшей частотой из этого диапазона. Обращаясь к рассмотренным выше примерам, мы видим, что конденсатор) емкостью 10 мкФ в соответствии с расчетами обеспечивает адекватную связь по неременному току при частоте 300 Гц и тем более при частоте 300 кГц. С другой стороны, конденсатор емкостью 0,1 мкФ обеспечивает адекватную связь при частоте 300 кГц, но непригоден для реализации связи по переменному току при частоте 300 Гц.
Развязка
На рис. 23.2(6) показан конденсатор С. обеспечивающий развязку резистора R. В отсутствие конденсатора (рис- 23.2(^.1) в точке А постоянный потенциал равен 10 В, а переменный потенциал сигнала - 10 мВ. Конденсатор, представляющий собой разрыв цени для постоянного тока, не оказывает никакого влияния на постоянный потенциал точки А, Однако если емкость этого конденсатора такова, что па рабочей частоте его реактивное сопротивление существенно меньше сопротивления резистора R, то конденсатор будет эффективно осуществлять короткое замыкание сигнала переменного тока на землю. Таким образом, потенциал точки А по переменному току будет равен нулю. емкость конденсатора С, обеспечивающая удовлетворительную развязку, определяется сопротивлением резистора R и рабочей частотой - но тем же самым формулам, которые использовались для расчета емкости разделительного конденсатора.
Усилитель с ДС-связью
На рис. 23.3 приведена схема усилителя с ДС-связыо, где С} — входной разделительный конденсатор. Емкость этого конденсатора должна быть сравнительно велика в силу низкого входного сопротивления транзистора в схеме с ОЭ (это сопротивление становится еще меньше за счет шунтирования входа, усилителя резистором R^}. Конденсатор С-^ связывает выход усилителя с нагрузкой или следующим каскадом, его емкость сравнима с емкостью конденсатора Ci. Типичные значения емкостей разделительных конденсаторов следующие:
для звуковых частот:10-50 мкФ.
для радиочастот:0.01-0,1 мкФ.
Рис. 23.3. Усилитель с RC-связью с развязывающим конденсатором С3 в цепи эмиттера.
Рис. 23.4. Инвертирование (изменение на 180°) фазы сигнала в усилителе с ОЭ.
Отрицательная обратная связь через резистор R4 в усилителе на рис. 23.3, с одной стороны, обеспечивает необходимую стабильность усилителя по постоянному току, а с другой стороны, снижает его коэффициент усиления до очень малой величины (2-3). Снижение коэффициента усиления связано с действием отрицательной обратной связи по переменному току, обусловленной падением напряжения сигнала на резисторе R4. Для устранения этой отрицательной обратной связи по переменному току и одновременного сохранения стабильности по постоянному току применяется эмиттерный развязывающий конденсатор С3.
Типичные значения емкости эмиттерного развязывающего конденсатора того же порядка, что и для разделительного конденсатора.
Усиление
Схема, приведенная на рис. 23.3, является законченной схемой однокаскадного усилителя с ОЭ. При подаче сигнала (например, синусоидальной формы) на вход усилителя этот сигнал передается через конденсатор С1 на базу транзистора. В начале положительного полупериода входного сигнала потенциал базы возрастает относительно потенциала эмиттера, напряжение VBEувеличивается, ток эмиттера Ie, а с ним и ток коллектора Ic, возрастают, в результате уменьшается напряжение на коллекторе Vc. Это означает, что положительному полу периоду входного сигнала соответствует отрицательный полупериод выходного сигнала. С другой стороны, отрицательному полупериоду входного сигнала соответствует положительный полупериод изменения коллекторного напряжения. Таким образом, сигналы на входе и выходе усилителя противофазны, как показано на рис. 23.4. Усиление сигнала происходит в силу того, что очень малый размах напряжения VBEприводит к большому размаху тока транзистора, который, проходя через резисторR3, вызывает большой размах коллекторного напряжения.
Линия нагрузки
Выходные характеристики транзистора дают общее представление о работе транзистора. Для того чтобы получить представление о работе транзистора в конкретной схеме, нужно начертить линию нагрузки. На рис. 23.5 изображены семейство выходных характеристик транзистора, работающего в схеме усилителя на рис. 23.3, и линия нагрузки XY.
Прежде чем проводить линию нагрузки, нужно сначала зафиксировать две точки, попадающие на эту линию. Лучше всего использовать точку Х на оси х, где ток Ic = 0, и точку Y на оси у, где Vc = 0. Через эти две точки проводится прямая линия — линия нагрузки. Предполагается, что Vc = VCE.
Точка X. В этой точке ток транзистора Ic = 0. Транзистор находится в состоянии отсечки. Следовательно, напряжение на коллекторе Vc = VCC.
Точка Y. Здесь коллекторное напряжение Vc = 0. Подставляя Vc = 0 в уравнение VCC = Vc + VR3, получаем VCC = VR3. Но VR3 = Ic R3, поэтому VCC = Ic R3. Следовательно,
Ic = VCC / R3.
Рис. 23.5. Линия нагрузки.
Для величин, указанных на рис. 23.3, положение точек Х и Y будет определяться следующими параметрами:
Точка Х Ic = 0, Vc = VCC = 10 В.
Точка Y Vc = 0, Ic = VCC/ R3 = 10/3,3 = 3 мА.
Таким образом, XY — это линия нагрузки для нагрузочного резистора сопротивлением R3 = 3,3 кОм.
При использовании нагрузочного резистора меньшего номинала (2,2 кОм) получаем линию нагрузки ХYa. Положение точки Х не изменяется по сравнению с предыдущим случаем, поскольку напряжение VСС остается тем же самым — 10 В. Для точки Yb получаем Ic = VCC / R3 = 10 В/2,2кОм = 4,55мА.
Нагрузочному резистору более высокого номинала, например 4,9 кОм, соответствует линия нагрузки ХYb с точкой Yb при Ic = 10 В/4, 9 кОм ≈ 2 мА.
Графический анализ
Процесс усиления сигнала осуществляется вдоль линии нагрузки и может быть представлен графически, как показано на рис. 23.6. Точка Q есть статическая рабочая точка, представляющая режим работы усилителя по постоянному току, т.е. в отсутствие сигнала. Рабочая точка задает смещение транзистора в статическом режиме. В рассматриваемом случае смещение определяется следующими величинами:
Ib = 20 мкА, Ic = 1,5 мА, Vc = 5 В.
Рис. 23.6. Графическое представление работы усилителя.
Рис. 23.7. Перегрузка усилителя, приводящая к ограничению выходного сигнала.
При подаче сигнала базовый ток изменяется по синусоиде с амплитудой 20 мкА (от 0 до 40 мкА). Это приводит к изменению коллекторного тока Ic с размахом 2,8 мА и изменению коллекторного напряжения с размахом около 9 В.
С одной стороны размах входного сигнала ограничен линией Ib = 0, соответствующей отсечке транзистора (точка М на линии нагрузки), а с другой стороны – линией Ib = 40 мкА, соответствующей насыщению транзистора (точка N на линии нагрузки). Для рассматриваемого усилителя рабочая точка Q выбирается в середине линии нагрузки. В этом случае при подаче сигнала с амплитудой 20 мкА на базу транзистора базовый ток изменяется в пределах от 0 до 40 мкА, обеспечивая максимальную величину неискаженного выходного сигнала.
Рис. 23.8. Графическое представление работы усилителя с использованием передаточной характеристики.
Любая попытка превышения этой величины входного сигнала приводит к искажению формы выходного сигнала. Это хорошо видно на рис. 23.7, где иллюстрируется случай перегрузки усилителя с результирующим ограничением синусоидального сигнала. Входной и выходной сигналы могут быть также представлены графически с помощью передаточной характеристики транзистора (рис. 23.8). Рабочий диапазон усилителя ограничен линейным участком характеристики передачи, выход за границы этого участка приводит к искажениям.
Когда между определенными точками или блоками схемы необходимо создать связь по переменному току, заблокировав при этом протекание постоянного тока, используется электронные компоненты, обеспечивающие связь только по переменному току, например конденсаторы или трансформаторы.
Если речь идет о каскадах усилителя, подобные конденсаторы принято называть блокировочным(блокирующим) или разделительным конденсатором.
Рис.1. Об этом говорит сайт https://intellect.icu . Применение разделительного конденсатора
В схеме, приведенной на рис.1. конденсатор связывает точки А и Б по переменному току, R – сопротивление нагрузки. Для постоянного тока конденсатор действует как разрыв цепи, полностью блокируя протекание постоянного тока между точками А и Б. В реальной схеме, в роли нагрузочного резистора выступает следующий каскад усиления.
В данной схеме конденсатор C и резистор R образуют простейший фильтр верхних частот (ФВЧ).
Частотой среза фильтра называют частоту, ослабление сигнала на которой достигает -3 дБ (по логарифмической шкале), или составляет 1/√2 (≈0.71) по линейной. Т.е. амплитуда сигнала на частоте среза составляет ≈71% от входного значения. Частота среза RC-фильтра рассчитывается по формуле:
f = 1 / (2 ⋅ π ⋅ R ⋅ C)
Сам фильтр для переменного тока можно представить как простейший делитель напряжения, соотношения сопротивлений в котором будут зависеть от частоты, при этом, реактивное сопротивление конденсатора Xc рассчитывается по следующей формуле:
Хc = 1 / (2 ⋅ π ⋅ f ⋅ C)
Также, при расчете данного конденсатора необходимо помнить, что удовлетворительное качество связи по переменному току достигается только в том случае, когда реактивное сопротивление Хс конденсатора на рабочей частоте много меньше сопротивления нагрузки R - тогда на этом конденсаторе падает (и теряется) очень малая часть напряжения входного сигнала.
Исходя из формул частоты среза и реактивного сопротивления, очевидно, что требуемую емкость разделительного конденсатора определяют два фактора:
Для приближенных расчетов можно считать, что удовлетворительная связь но переменному току достигается, когда Хс = R/20.
При R = 1 кОм получаем Хс = 50 Ом. Предположим, что рабочая частота f = 300 Гц.
Поскольку Хc = 1 / (2 ⋅ π ⋅ f ⋅ C), то
C = 1 / 94247.78 = 10.61 (мкФ)
Из вышеизложенного следуют два основных правила:
Чем больше сопротивление нагрузки, тем меньше требуемая емкость разделительного конденсатора.
При заданном сопротивлении нагрузки для низких рабочих частот необходимо использовать разделительные конденсаторы большей емкости, и наоборот.
Если же речь идет о рабочем диапазоне частот, емкость разделительного конденсатора определяется наименьшей частотой из этого диапазона. В соответствии с расчетами очевидно, что конденсатор емкостью 10 мкФ обеспечивает адекватную связь по переменному току при частоте 300 Гц и тем более при частоте 300 кГц. С другой стороны, конденсатор емкостью 0,1 мкФ обеспечивает адекватную связь при частоте 300 кГц, но непригоден для реализации связи по переменному току при частоте 300 Гц.
Один из вариантов использования конденсатора в схемотехнике усилительных каскадов это включение конденсатора в цепь термостабилизации транзистора, параллельно резистору. В этом случае принято называть данный конденсатор "развязывающим".
Рис.2. Влияние развязывающего конденсатора.
На рис.2.6 показан конденсатор С, обеспечивающий развязку резистора R по переменному току. Без конденсатора (рис2.a) в точке А постоянный потенциал равен 10 В, а переменный потенциал сигнала - 10 мВ. Конденсатор, представляющий собой разрыв цени для постоянного тока, не оказывает никакого влияния на постоянный потенциал точки А, Однако если емкость этого конденсатора такова, что на рабочей частоте его реактивное сопротивление существенно меньше сопротивления резистора R, то конденсатор будет эффективно осуществлять короткое замыкание сигнала переменного тока на землю. Таким образом, потенциал точки А по переменному току будет равен нулю.
Ёмкость конденсатора С, обеспечивающая удовлетворительную развязку, определяется сопротивлением резистора R и рабочей частотой - по тем же формулам, которые использовались для расчета емкости разделительного конденсатора.
Один из примеров использования развязывающего конденсатора это усилительный каскад собранный на классической схеме с общим эмиттером с отрицательной обратной связью (ООС).
Рис.3. Усилитель с развязывающим конденсатором в цепи эмиттера.
На рис.3 приведена схема усилителя построенного на классической схеме с общим эмиттером (ОЭ). Здесь С1 — входной разделительный конденсатор. Емкость этого конденсатора должна быть сравнительно велика в силу низкого входного сопротивления транзистора в схеме с ОЭ (подробный расчет номиналов смотрите в статье "Расчет усилительного каскада с общим эмиттером"). Конденсатор С2 связывает выход усилителя с нагрузкой или следующим каскадом, его емкость сравнима с емкостью конденсатора C1.
Отрицательная обратная связь через резистор R4 в данном усилителе, с одной стороны, обеспечивает необходимую стабильность усилителя по постоянному току, а с другой - снижает его коэффициент усиления до очень малой величины (2-3). Для устранения отрицательной обратной связи по переменному току и одновременного сохранения стабильности по постоянному току применяется эмиттерный развязывающий конденсатор С3. Помимо этого данный RC-контур в цепи эмиттера обеспечивает термостабилизацию данного усилительного каскада.
Типичные значения емкости эмиттерного развязывающего конденсатора того же порядка, что и для разделительного конденсатора.
RC-цепь — электрическая цепь, состоящая из конденсатора и резистора. Ее можно рассматривать как делитель напряжения с одним из плеч, обладающих емкостным сопротивлением переменному току.
Если входной сигнал подается к Vin, а выходной снимается с Vc (см. рисунок), то такая цепь называется цепью интегрирующего типа.
Реакция цепи интегрирующего типа на единичное ступенчатое воздействие с амплитудой V определяется следующей формулой:
Таким образом, постоянная времени τ этого апериодического процесса будет равна
Интегрирующие цепи пропускают постоянную составляющую сигнала, отсекая высокие частоты, то есть являются фильтрами нижних частот. При этом чем выше постоянная времени 
, тем ниже частота среза. В пределе пройдет только постоянная составляющая. Это свойство используется во вторичных источниках питания, в которых необходимо отфильтровать переменную составляющую сетевого напряжения. Интегрирующими свойствами обладает кабель из пары проводов, поскольку любой провод является резистором, обладая собственным сопротивлением, а пара идущих рядом проводов еще и образуют конденсатор, пусть и с малой емкостью. При прохождении сигналов по такому кабелю, их высокочастотная составляющая может теряться, причем тем сильнее, чем больше длина кабеля.
Дифференцирующая RC-цепь получается, если поменять местами резистор R и конденсатор С в интегрирующей цепи. При этом входной сигнал идет на конденсатор, а выходной снимается с резистора. Для постоянного напряжения конденсатор представляет собой разрыв цепи, то есть постоянная составляющая сигнала в цепи дифференцирующего типа будет отсечена. Такие цепи являются фильтрами верхних частот. И частота среза в них определяется все той же постоянной времени . Чем больше , тем ниже частота, которая может быть без изменений пропущена через цепь.
Дифференцирующие цепи имеют еще одну особенность. На выходе такой цепи один сигнал преобразуется в два последовательных скачка напряжения вверх и вниз относительно базы с амплитудой, равной входному напряжению. Базой является либо положительный вывод источника, либо "земля", в зависимости от того, куда подключен резистор. Когда резистор подключен к источнику, амплитуда положительного выходного импульса будет в два раза выше напряжения питания. Этим пользуются для умножения напряжения, а также, в случае подключения резистора к "земле", для формирования двуполярного напряжения из имеющегося однополярного.
Фильтр верхних частот
Для сглаживания пульсаций постоянного напряжения в качестве фильтра часто применяют сглаживающий конденсатор, подключаемый параллельно нагрузке. Во время роста напряжения по кривой синусоиды происходит не только питание нагрузки, но и заряд конденсатора. После достижения напряжения максимального (амплитудного) значения начинается спад. При этом, пока напряжение на выходе выпрямителя падает, конденсатор начинает разряжаться на нагрузку, таким образом в некоторой степени поддерживая напряжение на ней. Так происходит сглаживание пульсаций напряжения на выходе выпрямителя.
Для примеров рассмотрим базовые схемы выпрямителей. На рисунке 1 верхняя диаграмма отображает напряжение питающей сети. Ниже показана схема однополупериодного однофазного выпрямителя и соответствующая ей диаграмма выпрямленного напряжения на нагрузке. Внизу представлена схема выпрямителя с емкостным фильтром C1 и соответствующая ей диаграмма выпрямленного напряжения на нагрузке.
продолжение следует...
Часть 1 Применение конденсаторов - Резистивно-емкостная цепочка, Разделительный и развязывающий ,Сглаживающий, Демпфирующий, фазосдвигающий Рабочий и пусковой, X,
Часть 2 фазосдвигающий конденсатор - Применение конденсаторов - Резистивно-емкостная цепочка, Разделительный и
Исследование, описанное в статье про применение конденсаторов, подчеркивает ее значимость в современном мире. Надеюсь, что теперь ты понял что такое применение конденсаторов, резистивно емкостная цепь, разделительный конденсатор, развязывающий конденсатор, сглаживающий конденсатор, демпфирующий конденсатор, rcd-снаббер , рабочий и пусковой конденсаторы, блокировочный конденсатор, блокирующий конденсатор, помехоподавляющие конденсаторы, x-конденсаторы, y- конденсаторы и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то не стесняйся, пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Электротехника, Схемотехника, Аналоговые устройства
Комментарии
Оставить комментарий
Электротехника, Схемотехника, Аналоговые устройства
Термины: Электротехника, Схемотехника, Аналоговые устройства