Condensateurs dans les circuits électroniques

Dans les articles précédents, nous avons brièvement parlé du fonctionnement des condensateurs dans les circuits alternatifs, comment et pourquoi les condensateurs passent le courant alternatif (voir - Condensateurs AC) Dans ce cas, les condensateurs ne chauffent pas, la puissance ne leur est pas allouée: dans une demi-onde de la sinusoïde, le condensateur se charge, et dans l'autre, il se décharge naturellement, tout en retransférant l'énergie stockée à la source de courant.

Cette méthode de passage du courant vous permet d'appeler le condensateur une résistance libre, et c'est pourquoi le condensateur connecté à la prise ne fait pas tourner le compteur. Et tout cela parce que le courant dans le condensateur est en avance d'exactement 1/4 du temps la tension qui lui est appliquée.

Mais cette avance de phase permet non seulement de "tromper" le compteur, mais permet également de créer différents circuits, par exemple des générateurs de signaux sinusoïdaux et rectangulaires, des retards et des filtres de fréquence divers.

Au cours de cette histoire, il sera nécessaire de rappeler parfois ce qui a déjà été dit auparavant, pour ainsi dire, pour résumer. Cela aidera à ne pas revenir aux articles précédents afin de rappeler une formule simple, ou tout simplement, "qu'est-ce que c'est?"

Connexion parallèle et série de condensateurs

Avec une connexion parallèle de condensateurs, la capacité totale est simplement la somme arithmétique des capacités. Naturellement, avec cette inclusion, la capacité totale sera supérieure à la capacité du plus grand condensateur. Ctotal = C1 + C2 + C3 + ... + Cn.

Dans le cas d'une connexion série, la capacité totale est inférieure à celle de la plus petite.

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

Lorsque deux condensateurs identiques sont connectés en série, la capacité totale sera égale à la moitié de la capacité d'un: par exemple, lors de la connexion de deux condensateurs de 1 µF chacun, la capacité totale sera de 0,5 µF.

Capacité Xc

Ici, tout, comme lors de la connexion de résistances, n'est que l'inverse: une connexion en série réduit la capacité totale, tandis qu'une parallèle l'augmente. Cette circonstance ne doit pas être oubliée lors de la connexion de condensateurs, car une augmentation de la capacité entraîne une diminution de la capacité Xc

Xc = 1/2 * π * f * C.

Du point de vue des mathématiques, c'est assez naturel, car la capacité C est au dénominateur de la fraction. Soit dit en passant, la fréquence f est au même endroit, donc une augmentation de la fréquence entraîne également une diminution de la capacité Xc. La signification physique de ceci est qu'à travers le même condensateur, il est préférable, plus sans entrave, que les hautes fréquences passent. Ceci sera discuté un peu plus tard, en ce qui concerne les filtres passe-bas et passe-haut.

Si nous prenons un condensateur d'une capacité de 1 μF, alors pour une fréquence de 60 Hz son Xc sera de 2653 Ohms, et pour une fréquence de 400 Hz le même condensateur a un Xc de seulement 398 Ohms. Ceux qui le souhaitent peuvent vérifier ces résultats par la formule, en substituant π = 3,14, la fréquence en hertz et la capacité en farads. Le résultat sera alors en ohms. Tout doit être conforme au système SI!

Mais les condensateurs sont utilisés non seulement comme résistances d'amortissement à amortissement libre ou dans des filtres redresseurs. Sans leur participation, circuits pour générateurs basse et haute fréquence, divers convertisseurs de forme d'onde, circuits de différenciation et d'intégration, amplificateurs et d'autres régimes.

Ensuite, divers signaux électriques avec lesquels les condensateurs doivent travailler seront pris en compte. Tout d'abord, ce sont des signaux périodiques adaptés à l'observation avec oscilloscope.

Période et fréquence des oscillations

Une oscillation périodique est donc appelée périodique, qui, sans cesse, répète la même forme, par exemple, une oscillation sinusoïdale. La durée de ce swing complet est précisément appelée la période T, et est mesurée en secondes, millisecondes, microsecondes.L'électronique moderne traite même des nanosecondes (un milliardième de seconde).

Le nombre de périodes par seconde est appelé la fréquence (à quelle fréquence) des oscillations f, et est exprimé en hertz. 1 Hz est la fréquence à laquelle une oscillation, une période complète, est effectuée en 1 seconde. Le rapport de la période et de la fréquence est exprimé par la formule simple T = 1 / f.

En conséquence, connaissant la période d'oscillation, il est très simple de calculer la fréquence f = 1 / T.

C'est ainsi que la fréquence est calculée lors de la mesure avec un oscilloscope: le nombre de cellules dans une période est calculé, multiplié par la durée d'une cellule, et la période est obtenue, par exemple, en microsecondes. Et pour connaître la fréquence, ils ont simplement utilisé la dernière formule.

Ordinaire oscilloscope électronique Vous permet d'observer uniquement des signaux périodiques qui peuvent être synchronisés avec la fréquence de balayage afin d'obtenir une image fixe adaptée à la recherche. Si le signal d'un programme musical est envoyé à l'entrée de l'oscilloscope, vous ne pourrez pas arrêter l'image pour rien. Pour observer de tels signaux, des oscilloscopes de stockage sont utilisés.

Lorsqu'une période est mesurée en millisecondes, la fréquence est obtenue en kilohertz, pour une période mesurée en microsecondes, la fréquence est déjà exprimée en mégahertz. C'est si vous ne respectez pas les exigences du système SI: période en secondes, fréquence en hertz.

Vibrations non sinusoïdales

Comme mentionné précédemment, une onde sinusoïdale est la plus courante et convient à l'étude et à l'utilisation pratique de la courbe périodique. En conditions industrielles, il est obtenu à l'aide de générateurs électriques, par exemple, dans des centrales hydroélectriques. Dans les appareils électroniques, des vibrations de formes les plus diverses sont utilisées.

Fondamentalement, ce sont trois formes: sinusoïdale, rectangulaire et triangulaire, comme le montre la figure 1. Le courant et la tension peuvent avoir une telle forme, par conséquent, seul l'axe du temps est montré sur la figure, l'axe des ordonnées est laissé sans nom.

Ces oscillations sont générées par des circuits électroniques spéciaux. Les signaux rectangulaires et triangulaires sont souvent appelés pulsés. Cependant, il existe de nombreux circuits électroniques qui effectuent la conversion du signal: par exemple, un rectangle, un triangle peut être réalisé à partir d'une sinusoïde.

Figure 1

Pour les trois signaux, la figure montre deux périodes, tous les signaux ont la même fréquence.

Spectre de signaux non sinusoïdaux

Tout signal électrique peut être représenté comme une mesure de l'amplitude à un moment donné. La fréquence de ces échantillons est appelée fréquence d'échantillonnage, et au moins deux fois supérieure à la fréquence supérieure du signal mesuré. Ensuite, à partir de ces échantillons, vous pouvez restaurer le signal d'origine. Cette méthode est utilisée, par exemple, dans l'enregistrement sonore numérique. Cette méthode est également appelée analyse du temps.

Une autre méthode suppose que tout signal, même rectangulaire, peut être représenté comme la somme algébrique de sinusoïdes de fréquences et de phases différentes. Cette méthode est appelée analyse de fréquence. Mais ce qui a été dit «avec des fréquences différentes» n'est pas tout à fait vrai: les sinusoïdes constituantes sont appelées harmoniques et leurs fréquences obéissent à certaines lois.

Une onde sinusoïdale dont la fréquence est égale à la fréquence d'une onde carrée est appelée fondamentale ou première harmonique. Les harmoniques paires sont obtenues en multipliant la fréquence fondamentale par un nombre pair et les harmoniques impaires, respectivement, par des paires.

Ainsi, si la première harmonique a une fréquence de 1000 Hz, alors la seconde est de 2000 Hz, la quatrième de 4000 Hz, etc. Les harmoniques impaires auront des fréquences de 3000 Hz, 5000 Hz. De plus, chaque harmonique est plus petite en amplitude que la principale: plus l'harmonique est élevée, plus l'amplitude est petite.

En musique, les harmoniques sont appelées harmoniques. Ce sont eux qui forment le timbre du son, permettent de distinguer le violon du piano et la guitare du saxophone. Ils ne permettent pas de confondre la voix masculine et féminine ou de distinguer Petrov d'Ivanov. Et seule la sinusoïde elle-même ne peut plus être décomposée ou assemblée à partir de signaux.

La figure 2 montre la construction d'une impulsion rectangulaire.

Figure 2

Les première et troisième harmoniques sont représentées dans la partie supérieure de la figure. Il est facile de voir que dans une période de la première harmonique trois périodes de la troisième passe. Dans ce cas, l'amplitude du troisième harmonique est un tiers du premier. La somme des première et troisième harmoniques est également indiquée ici.

Ci-dessous, avec la somme de 1 et 3 harmoniques, 5 autres harmoniques sont affichées: pour une période d'un signal rectangulaire, il parvient à faire exactement cinq périodes. Dans ce cas, son amplitude est encore plus petite, plus précisément, exactement 1/5 de la principale (première). Mais il ne faut pas penser que tout se termine à la cinquième harmonique: cela ne peut tout simplement pas être montré sur la figure, en fait il y en a beaucoup plus.

La formation de signaux en dents de scie et triangulaires, illustrée à la figure 3, est un peu plus compliquée. Si dans le cas précédent seules des harmoniques impaires y participaient, alors même les harmoniques entrent en jeu.

Figure 3

Ainsi, nous pouvons affirmer qu'à l'aide de nombreuses harmoniques, un signal de n'importe quelle forme est synthétisé, et le nombre et le type d'harmoniques dépendent de la forme d'onde, comme le montrent les figures 2 et 3.

Lors de la réparation et de l'installation d'équipements électroniques, un oscilloscope est utilisé pour étudier les signaux électriques. Il vous permet de considérer la forme des signaux périodiques, leur amplitude, de mesurer la période de répétition. Mais les harmoniques représentées sur les figures 2 et 3 ne sont pas visibles.

Même si vous connectez, par exemple, une guitare électrique à un oscilloscope, tirez une corde, une sinusoïde apparaît à l'écran, c'est la première harmonique. Dans ce cas, on ne peut parler d'aucune connotation. La même sinusoïde se produira si vous soufflez dans le tuyau ou la flûte devant le microphone.

Comment obtenir des impulsions rectangulaires

Après avoir pris connaissance des signaux électriques, nous devons rappeler les condensateurs avec lesquels l'article a commencé. Tout d'abord, vous devez vous familiariser avec l'un des circuits électroniques classiques - multivibrateur, (Figure 4) c'est lui qui génère les impulsions rectangulaires. Le circuit est si classique qu'il commence à fonctionner immédiatement sans nécessiter de réglages ou d'ajustements.

Figure 4

Le multivibrateur est un amplificateur à deux étages, couvert par une rétroaction positive. Si les résistances de charge du collecteur R1 = R4, les résistances de base R2 = R3 sont égales et les condensateurs C1 = C2 sont égaux, le multivibrateur est appelé symétrique et génère des impulsions carrées de type méandre - la durée de l'impulsion est égale à la durée de la pause.

Le rapport cyclique de ces impulsions (le rapport de la période à la durée des impulsions) est de deux. Dans les programmes de langue anglaise, tout est exactement le contraire: ils l'appellent cycle de service. Il est calculé comme le rapport de la durée de l'impulsion à la période de sa succession et est exprimé en pourcentage. Ainsi, pour le méandre, le rapport cyclique est de 50%.

L'ordinateur est-il correct?

Le nom multivibrateur a été proposé par le physicien néerlandais van der Pol, car le spectre d'un signal rectangulaire contient de nombreuses harmoniques. Vous pouvez le vérifier si vous pouvez placer un récepteur radio fonctionnant dans la gamme des ondes moyennes près d'un multivibrateur qui fonctionne même à une fréquence audio: des hurlements proviendront du haut-parleur. Cela suggère qu'en plus de la fréquence sonore, le multivibrateur émet également des oscillations à haute fréquence.

Pour déterminer la fréquence de génération, on peut utiliser la formule f = 700 / (C1 * R2).

Avec cette forme de formule, la capacité du condensateur en microfarads (μF), la résistance en kilo-ohms (KΩ), le résultat en hertz (Hz). Ainsi, la fréquence est déterminée par la constante de temps du circuit C1 * R2; les charges du collecteur n'affectent pas la fréquence. Si nous prenons C1 = 0,02 μF, R2 = 39 KΩ, alors nous obtenons f = 700 / (0,02 * 39) = 897,4 Hz.

Multivibrateur à l'ère des ordinateurs et microcontrôleurs Selon ce schéma, il n'est presque jamais utilisé, bien qu'il puisse convenir à diverses expériences. Tout d'abord, utiliser des ordinateurs. Voici à quoi ressemble le circuit multivibrateur assemblé dans le programme Multisim. La connexion de l'oscilloscope est également illustrée ici.

Figure 5

Dans ce circuit, des condensateurs et résistances sont installés comme dans l'exemple précédent. La tâche consiste à vérifier le calcul selon la formule si la même fréquence sera obtenue. Pour ce faire, mesurez la période des impulsions, puis recalculez-les en fréquence. Le résultat de l'oscilloscope Multisim est illustré à la figure 6.

Figure 6

Quelques clarifications à la figure 6.

Sur l'écran de l'oscilloscope, l'impulsion rouge montre les impulsions sur le collecteur du transistor et le bleu sur les bases. Sous l'écran dans une grande fenêtre blanche, les chiffres montrent les résultats de la mesure. Nous sommes intéressés par la colonne "Temps". Le temps est mesuré par les indicateurs T1 et T2 (triangles rouges et bleus au-dessus de l'écran).

Ainsi, la période de répétition des impulsions T2-T1 = 1,107 ms est représentée assez précisément. Il ne reste plus qu'à calculer la fréquence f = 1 / T = 1 / 1,107 * 1000 = 903Hz.

Le résultat est presque le même que dans le calcul selon la formule, qui est donnée un peu plus haut.

Les condensateurs peuvent être utilisés non seulement séparément: en combinaison avec des résistances, ils vous permettent de créer simplement divers filtres ou de créer des circuits de déphasage. Mais cela sera discuté dans le prochain article.

Suite de l'article: Condensateurs dans les circuits électroniques. 2e partie

Boris Aladyshkin