Дифференцирующие и интегрирующие цепи. Интегрирующая и дифференцирующая цепи RC Интегрирующие и дифференцирующие rc цепочки
Мы имеем полное право перейти к рассмотрению цепей, состоящих из этих элементов 🙂 Этим мы сегодня и займемся.
И первая цепь, работу которой мы рассмотрим – дифференцирующая RC-цепь.
Дифференцирующая RC-цепь.
Из названия цепи, в принципе, уже понятно, что за элементы входят в ее состав – это конденсатор и резистор 🙂 И выглядит она следующим образом:
Работа данной схемы основана на том, что ток, протекающий через конденсатор , прямо пропорционален скорости изменения напряжения, приложенного к нему:
Напряжения в цепи связаны следующим образом (по закону Кирхгофа):
В то же время, по закону Ома мы можем записать:
Выразим из первого выражения и подставим во второе:
При условии, что (то есть скорость изменения напряжения низкая) мы получаем приближенную зависимость для напряжения на выходе:
Таким образом, цепь полностью оправдывает свое название, ведь напряжение на выходе представляет из себя дифференциал входного сигнала.
Но возможен еще и другой случай, когда title="Rendered by QuickLaTeX.com" height="22" width="134" style="vertical-align: -6px;"> (быстрое изменение напряжения). При выполнении этого равенства мы получаем такую ситуацию:
То есть: .
Можно заметить, что условие будет лучше выполняться при небольших значениях произведения , которое называют постоянной времени цепи :
Давайте разберемся, какой смысл несет в себе эта характеристика цепи 🙂
Заряд и разряд конденсатора происходит по экспоненциальному закону:
Здесь – напряжение на заряженном конденсаторе в начальный момент времени. Давайте посмотрим, каким будет значение напряжения по истечении времени :
Напряжение на конденсаторе уменьшится до 37% от первоначального.
Получается, что – это время, за которое конденсатор:
- при заряде – зарядится до 63%
- при разряде – разрядится на 63% (разрядится до 37%)
С постоянной времени цепи мы разобрались, давайте вернемся к дифференцирующей RC-цепи 🙂
Теоретические аспекты функционирования цепи мы разобрали, так что давайте посмотрим, как она работает на практике. А для этого попробуем подавать на вход какой-нибудь сигнал и посмотрим, что получится на выходе. В качестве примера, подадим на вход последовательность прямоугольных импульсов:
А вот как выглядит осциллограмма выходного сигнала (второй канал – синий цвет):
Что же мы тут видим?
Большую часть времени напряжение на входе неизменно, а значит его дифференцаил равен 0 (производная константы = 0). Именно это мы и видим на графике, значит цепь выполняет свою дифференцирующую функцию. А с чем же связаны всплески на выходной осциллограмме? Все просто – при “включении” входного сигнала происходит процесс зарядки конденсатора, то есть по цепи проходит ток зарядки и напряжение на выходе максимально. А затем по мере протекания процесса зарядки ток уменьшается по экспоненциальному закону до нулевого значения, а вместе с ним уменьшается напряжение на выходе, ведь оно равно . Давайте увеличим масштаб осциллограммы и тогда мы получим наглядную иллюстрацию процесса зарядки:
При “отключении” сигнала на входе дифференцирующей цепи происходит аналогичный переходный процесс, но только вызван он не зарядкой, а разрядкой конденсатора:
В данном случае постоянная времени цепи у нас имеет небольшую величину, поэтому цепь хорошо дифференцирует входной сигнал. По нашим теоретическим расчетам, чем больше мы будем увеличивать постоянную времени, тем больше выходной сигнал будет похож на входной. Давай проверим это на практике 🙂
Будем увеличивать сопротивление резистора, что и приведет к росту :
Тут даже не надо ничего комментировать – результат налицо 🙂 Мы подтвердили теоретические выкладки, проведя практические эксперименты, так что давайте переходить к следующему вопросу – к интергрирующим RC-цепям .
Запишем выражения для вычисления тока и напряжения данной цепи:
В то же время ток мы можем определить из Закона Ома:
Приравниваем эти выражения и получаем:
Проинтегрируем правую и левую части равенства:
Как и в случае с дифференцирующей RC-цепочкой здесь возможны два случая:
Для того, чтобы убедиться в работоспособности цепи, давайте подадим на ее вход точно такой же сигнал, какой мы использовали при анализе работы дифференцирующей цепи, то есть последовательность прямоугольных импульсов. При малых значениях сигнал на выходе будет очень похож на входной сигнал, а при больших величинах постоянной времени цепи, на выходе мы увидим сигнал, приближенно равный интегралу входного. А какой это будет сигнал? Последовательность импульсов представляет собой участки равного напряжения, а интеграл от константы представляет из себя линейную функцию (). Таким образом, на выходе мы должны увидеть пилообразное напряжение. Проверим теоретические выкладки на практике:
Желтым цветом здесь изображен сигнал на входе, а синим, соответственно, выходные сигналы при разных значениях постоянной времени цепи. Как видите, мы получили именно такой результат, который и ожидали увидеть 🙂
На этом мы и заканчиваем сегодняшнюю статью, но не заканчиваем изучать электронику, так что до встречи в новых статьях! 🙂
Дифференцирующей называется цепь, сигнал на выходе которой пропорционален производной от входного сигнала.
Сигналом называют физическую величину, несущую информацию. Нижу будем рассматривать импульсивные сигналы напряжения – импульсы напряжения.
Схема реальных дифференцирующих цепей показана на рис 13-33 а и 13-33 б.
Коэффициент пропорциональности М
представляет собой постоянную времени
цепи
.
Для
цепи RC
=RC,
для цепиRL
=L/R.
Рис 13-33. Схема дифференцирующих цепей.
Дифференцирующая RC-цепь. (фильтр нижних частот)
Эта
цепь является также четырехполюсником.
В дифференцирующей RC-цепи
сигнал снимается с резистораR,
то есть
(см
рис 13-33 а). Дифференцирующий (входной)
сигнал имеет прямоугольную форму(см
ниже рис 13-33 а).
Рассмотрим действие такого сигнала (импульса напряжения) на дифференцирующую RC-цепь.
Рис
13-34. Дифференцируемый сигнал (а) и сигнал
на выходе дифференцирующей RC-цепи
(б),
В момент
(включение цепи) напряжение на выходе
.
Это следует из того, что в момент включения
в цепи по второму закону коммутации
напряжение на конденсаторе сохраняет
свое значение, которое было до коммутации,
то есть равно 0, следовательно, все
напряжение будет приложено к резисторуR(
).
Затем
будет
уменьшаться по экспоненциальному закону
(13.29)
Если
,за
время действия входного импульса
(
)конденсатор
почти полностью зарядится и в момент
,
когда действие импульса закончится
0,
напряжение на конденсаторе
станет равно
(на
рис 13-34 б
показано пунктиром), а в напряжение на
резистореR
упадет до 0. Так как теперь цепь отключена
от входного напряжения (
=0,
),
конденсатор начнет разряжаться и через
время
напряжение на нем станет равно 0. Ток в
цепи с момента
изменит направление, а напряжение на
резистореRв момент
скачком станет равно
и начнет спадать по экспоненте
,
а через время
станет равно 0.
Таким
образом, на выходе цепи образуется два
остроконечных импульса положительной
и отрицательной полярностей, площади
которых равны, а амплитуда равна
.
Если
форма выходного импульса
будет иметь другой вид, чем на рис
Рассмотрим
два крайних случая:
и
(смотри рис 13-35 б и 13-35 в)
Рис
13-35. Изменение формы импульса на выходе
дифференцирующей цепи в зависимости
от соотношения между
и
.
А.
(см
рис 13-35 б)
В этом случае за время длительности
импульса конденсатор успевает полностью
зарядиться еще до того, как окончится
действие импульса. На резисторе в момент
включения получается скачок напряжения
положительной полярности, равный
амплитуде прямоугольного импульса
,
а затем напряжение убывает по крутой
экспоненте и по мере зарядки конденсатора
спадает до нуля до окончания действия
импульса. По окончании действия импульса
(в момент
)
конденсатор начнет разряжаться, а за
счет прохождения тока через резисторRна входе образуется
импульс отрицательной полярности
амплитудной -
.
Площадь этого импульса будет равна
площади положительного импульса. Такие
цепи называются дифференцирующими
укорачивающими.
Б.
(см
рис 13-35).
Так как время зарядки конденсатора
примерно равно
,
конденсатор успеет зарядиться не ранее,
чем через
.
Следовательно, и напряжение на резисторе
,
равное в момент
,
уменьшится по экспоненте, станет равно
нулю через
.
Поэтому за время
импульс
на сопротивлениеRпрактически не искажается и повторяет
по форме импульс на входе.
Такая цепь используется как переходная между усилительными каскадами и предназначается для исключения влияния действия постоянной составляющей напряжение с коллектора транзистора предшествующего каскада на последующий.
Из формул и рис 13-34 и 13-35 можно заключить,
что амплитуда выходных импульсов при
различных соотношениях между
и
остается неизменной и равной
,
а длительность их с уменьшением
уменьшается. Точность дифференцирования
будет тем выше, чем меньше
по сравнению с
.
Наиболее точное дифференцирование можно получиться с помощью операционных усилителей.
Рассмотрим АЧХ дифференцирующей RC-цепи, изображённой на рис. 13-35а.
Рис. 13-35 а. АЧХ дифференцирующей цепи RC-цепи.
Частотный коэффициент передачи дифференцирующей RC-цепи равен:
Если приравнять
к 1/
,
то получают нижнюю границу полосы
пропускания дефференцирующейRC-цепи
.
Из графика 2-35а видно, что полоса пропускания дифференцирующей RC-цепи ограничена только со стороны нижних частот.
Рассмотрим RC-цепь, изображенную на рис. 3.20,а. Пусть на входе этой цепи действует напряжение u1(t).
Рис. 3.20. Дифференцирующие RC-(а) и RL-(б) цепи.
Тогда для этой цепи справедливо соотношение
и с учетом преобразований будем иметь
Если для данного сигнала выбрать постоянную времени цепи τ=RC настолько большим, что вкладом второго члена правой части (3.114) можно пренебречь, то переменная составляющая напряжения uR≈u1. Это значит, что при больших постоянных времени напряжение на сопротивлении R повторяет входное напряжение. Такую цепь применяют тогда, когда необходимо передать изменения сигнала без передачи постоянной составляющей.
При очень малых значениях τ в (3.114) можно пренебречь первым слагаемым. Тогда
т. е. при малых постоянных времени τ RC-цепь (рис. 3.20,а) осуществляет дифференцирование входного сигнала, поэтому такую цепь называют дифференцирующей RC-цепью.
Аналогичными свойствами обладает и RL-цепь (рис. 3.20,б).
Рис. 3.21. Частотные (а) и переходная (б) характеристики дифференцирующих цепей.
Сигналы при прохождении через RС- и RL-цепи называют быстрыми, если
или медленными, если
Отсюда следует, что рассмотренная RC-цепь дифференцирует медленные и пропускает без искажения быстрые сигналы.
Для гармонической э. д. с. аналогичный результат легко получить, вычисляя коэффициент передачи цепи (рис. 3.20,а) как коэффициент передачи делителя напряжения со стационарными сопротивлениямиR и XC=1/ωC:
При малых τ, а именно когда τ<<1/ω, выражение (3.116) преобразуется в
При этом фаза выходного напряжения (аргумент K) равна π/2. Сдвиг гармонического сигнала по фазе на π/2 эквивалентен его дифференцированию. При τ>>1/ω коэффициент передачи K≈1.
В общем случае модуль коэффициента передачи (3.116), или частотная характеристика цепи (рис. 3.20,а):
а аргумент K, или фазовая характеристика этой цепи:
Эти зависимости показаны на рис. 3.21,а.
Такими же характеристиками обладает RL-цепь на рис. 3.20,б с постоянной времени τ=L/R.
Если в качестве выходного сигнала взять единичный скачок напряжения , то интегрированием уравнения (3.114) можно получить переходную характеристику дифференцирующей цепи, или временную зависимость выходного сигнала при единичном скачке напряжения на входе:
График переходной характеристики показан на рис. 3.21,б.
Рис. 3.22. Интегрииующие RC-(а) и LC-(б) цепи.
Рассмотрим RC-цепь, изображенную на рис. 3.22,а. Она описывается уравнением
При малых τ=RC (для «медленных» сигналов) uC≈u1. Для «быстрых» сигналов напряжение u1 интегрируется:
Поэтому RC-цепь, выходное напряжение которого снимается с емкости C называют интегрирующей цепью.
Коэффициент передачи интегрирующей цепи определяется выражением
При ω<<1/τ K≈1.
Частотная и фазовая характеристики описываются соответственно выражениями
Рис. 3.23. Частотные (а) и переходная (б) характеристики интегрирующих цепей.
и изображены на рис. 3.23,а. Переходная характеристика (рис. 3.23,б) получается интегрированием (3.121) при :
При равных постоянных времени такими же свойствами обладает RL-цепь, изображенная на рис. 3.22,б.
Электрическая цепь, в к-рой выходное напряжение U вых (t)(или ток) пропорционально интегралу по времени от входного напряжения U вх (t) (или тока):
Рис. 1.
Интегратор на операционном усилителе. <В основе действия И. ц. лежит накопление заряда на конденсаторе с ёмкостью С
под действием приложенного тока или накопление магн. потока в катушке с индуктивностью L
под действием приложенного напряжения Преимущественно используются И. ц. с конденсатором. <С наиб, точностью указанный принцип реализуется в интеграторе на операц. усилителе (ОУ) (рис. 1). Для идеального ОУ разность напряжений между его входами и входные токи равны нулю, поэтому ток, протекающий через сопротивление R,
равен току заряда
конденсатора С,
а напряжение в точке их соединения равно нулю. В результате Произведение RС=t, характеризующее скорость заряда конденсатора, наз. постоянной времени И. ц. <Широко используется простейшая RC-И.
ц. (рис. 2, а). В этой схеме ток заряда конденсатора определяется разностью входного и выходного напряжений поэтому интегрирование входного напряжения выполняется приближённо и тем точнее, чем меньше выходное напряжение по сравнению с входным. Последнее условие выполняется, если постоянная времени t много больше интервала времени, по к-рому происходит интегрирование. Для правильного интегрирования импульсного входного сигнала необходимо, чтобы t была много больше длительности импульса Т(рис. 3). Аналогичными свойствами обладает RL-И. ц., показанная на рис. 2, б, для к-рой постоянная времени равна L/R.
Рис. 3. 1 -
входной прямоугольный импульс; 2 -
выходное напряжение интегрирующей цепи при tдT.
И. ц. применяются для преобразования импульсов, модулированных по длительности, в импульсы, модулированные по амплитуде, для удлинения импульсов, получения пилообразного напряжения, выделения низкочастотных составляющих сигнала и т. п. И. ц. на операц. усилителях применяются в устройствах автоматики и аналоговых ЭВМ для реализации операции интегрирования.
53.Переходные процессы. Законы коммутации и их применение.
Перехо́дные проце́ссы - процессы, возникающие в электрических цепях при различных воздействиях, приводящих их из стационарного состояния в новое стационарное состояние, то есть, - при действии различного рода коммутационной аппаратуры, например, ключей, переключателей для включения или отключения источника или приёмника энергии, при обрывах в цепи, при коротких замыканиях отдельных участков цепи и т. д.
Физическая причина возникновения переходных процессов в цепях - наличие в них катушек индуктивности и конденсаторов, то есть индуктивных и ёмкостных элементов в соответствующих схемах замещения. Объясняется это тем, что энергия магнитного и электрического полей этих элементов не может изменяться скачком при коммутации (процесс замыкания или размыкания выключателей) в цепи.
Переходный процесс в цепи описывается математически дифференциальным уравнением
- неоднородным (однородным), если схема замещения цепи содержит (не содержит) источники ЭДС и тока,
- линейным (нелинейным) для линейной (нелинейной) цепи.
Длительность переходного процесса длятся от долей наносекунд до годов. Зависят от конкретной цепи. Например, постоянная времени саморазряда конденсатора с полимерным диэлектриком может достигать тысячелетия. Длительность протекания переходного процесса определяется постоянной времени цепи.
Законы коммутации относятся к энергоемким (реактивным) элементам, т. е. к емкости и индуктивности. Они гласят: напряжение на емкости и ток в индуктивности при конечных по величине воздействиях являются непрерывными функциями времени, т. е. не могут изменяться скачком.
Математически эта формулировка может быть записана следующим образом
Для емкости;
Для индуктивности.
Законы коммутации являются следствием определений элементов емкости и индуктивности.
Физически закон коммутации для индуктивности объясняется противодействием ЭДС самоиндукции изменению тока, а закон коммутации для емкости – противодействием напряженности электрического поля конденсатора изменению внешнего напряжения.
54.Вихревые токи, их проявления и использование.
Вихревые токи или токи Фуко́ (в честь Ж. Б. Л. Фуко) - вихревые индукционные токи, возникающие в проводниках при изменении пронизывающего их магнитного поля.
Впервые вихревые токи были обнаружены французским учёным Д. Ф. Араго (1786-1853) в 1824 г. в медном диске, расположенном на оси под вращающейся магнитной стрелкой. За счёт вихревых токов диск приходил во вращение. Это явление, названное явлением Араго, было объяснено несколько лет спустя M. Фарадеем с позиций открытого им закона электромагнитной индукции: вращаемое магнитное поле наводит в медном диске вихревые токи, которые взаимодействуют с магнитной стрелкой. Вихревые токи были подробно исследованы французским физиком Фуко (1819-1868) и названы его именем. Он открыл явление нагревания металлических тел, вращаемых в магнитном поле, вихревыми токами.
Токи Фуко возникают под воздействием переменного электромагнитного поля и по физической природе ничем не отличаются от индукционных токов, возникающих в линейных проводах. Они вихревые, то есть замкнуты в кольце.
Электрическое сопротивление массивного проводника мало, поэтому токи Фуко достигают очень большой силы.
Тепловое действие токов Фуко используется в индукционных печах - в катушку, питаемую высокочастотным генератором большой мощности, помещают проводящее тело, в нём возникают вихревые токи, разогревающие его до плавления.
С помощью токов Фуко осуществляется прогрев металлических частей вакуумных установок для их дегазации.
Во многих случаях токи Фуко могут быть нежелательными. Для борьбы с ними принимаются специальные меры: с целью предотвращения потерь энергии на нагревание сердечников трансформаторов, эти сердечники набирают из тонких пластин, разделённых изолирующими прослойками. Появление ферритов сделало возможным изготовление этих сердечников сплошными.
Вихретоковый контроль - один из методов неразрушающего контроля изделий из токопроводящих материалов.
55. Трансформатор, основные свойства и виды конструкции.
RC цепь может изменять форму сложных сигналов так, что выходная форма будет совсем не похожа на входную. Величина искажения определяется постоянной времени RC цепи. Тип искажения определяется выходной компонентой, включенной параллельно выходу. Если параллельно выходу включен резистор, то цепь называется дифференцирующей. используется в цепях синхронизации, для получения узких импульсов из прямоугольных , а также для получения переключающих импульсов и меток. Если параллельно выходу включен конденсатор, то цепь называется интегрирующей. используется в цепях формирования сигналов в радио, телевидении, радиолокаторах и в компьютерах .
На рисунке изображена дифференцирующая цепь .
Напомним, что сложные сигналы состоят из основной частоты и большого числа гармоник. Когда сложный сигнал поступает на дифференцирующую цепь, она влияет на каждую частоту по разному. Отношение емкостного сопротивления (Х с) к R для каждой гармоники различно. Это приводит к тому, что каждая гармоника сдвигается по фазе и уменьшается по амплитуде в разной степени. В результате исходная форма сигнала искажается. На рисунке показано, что происходит с сигналом прямоугольной формы, прошедшим дифференцирующую цепь.
Подобна дифференцирующей, за исключением того, что параллельно выходу включен конденсатор.
На рисунке показано, как изменяется форма прямоугольного сигнала, прошедшего интегрирующую цепь.
Другим типом цепи, изменяющим форму сигнала, является ограничитель сигнала . На рисунке показана форма сигнала на входе ограничителя: отрицательная часть входного сигнала обрезана.
Цепь ограничения может быть использована для обрезания пиков приложенного сигнала, для получения прямоугольного сигнала из синусоидального, для удаления положительных или отрицательных частей сигнала или для поддержания амплитуды входного сигнала на постоянном уровне. Диод смещен в прямом направлении и проводит ток в течение положительного полупериода входного сигнала. В течение отрицательного полупериода входного сигнала диод смещен в обратном направлении и ток не проводит. Цепь является, по существу, однополупериодным выпрямителем .
Используя напряжение смещения можно регулировать величину обрезаемого сигнала. Параллельный ограничитель может быть смещен для изменения уровня ограничения сигнала. Если необходимо ограничить сигнал и с положительной, и с отрицательной сторон, используются два смещенных диода, включенных параллельно выходу. Это позволяет получить выходной сигнал с амплитудой, не превышающей заранее определенный положительный и отрицательный уровень. При таком преобразовании выходной сигнал приобретает форму, близкую к прямоугольной. Следовательно, эта цепь называется генератором прямоугольных колебаний. На рисунке изображена другая схема ограничителя, ограничивающего сигнал как с положительной стороны, так и с отрицательной с помощью двух стабилитронов.
Выходной сигнал ограничен с двух сторон напряжениями стабилизации стабилитронов. Между этими пределами ни один стабилитрон не проводит и входной сигнал проходит на выход.
Иногда желательно изменить уровень отсчета постоянного тока для сигнала переменного тока. Уровень отсчета постоянного тока — это уровень, относительно которого измеряется сигнал переменного тока. Фиксатор может использоваться для фиксации верхнего или нижнего значения сигнала при заданном постоянном напряжении. В отличие от ограничителя сигнала, фиксатор не изменяет форму сигнала. Диодный фиксатор называют восстановителем постоянной составляющей.
Эта цепь обычно используется в радиолокаторах, телевидении, телекоммуникациях и в компьютерах. В изображенной цепи на вход подан сигнал прямоугольной формы. Назначение цепи — ограничить максимальное значение сигнала напряжением 0 вольт без изменения формы сигнала.
