Capacitores em circuitos eletrônicos

Em artigos anteriores, falamos brevemente sobre a operação de capacitores em circuitos CA, como e por que os capacitores passam a corrente CA (consulte - Capacitores AC) Nesse caso, os capacitores não esquentam, a energia não é alocada para eles: em uma meia onda do sinusóide, o capacitor é carregado e, no outro, descarrega naturalmente, transferindo a energia armazenada de volta para a fonte atual.

Esse método de passagem de corrente permite que você chame o capacitor de resistência livre, e é por isso que o capacitor conectado à tomada não faz o contador girar. E tudo isso ocorre porque a corrente no capacitor está à frente exatamente de 1/4 do tempo que a tensão aplicada a ele.

Mas esse avanço de fase permite não apenas "enganar" o contador, mas possibilita a criação de vários circuitos, por exemplo, geradores de sinais retangulares e sinusoidais, atrasos de tempo e vários filtros de frequência.

No processo desta história, será necessário recordar algumas vezes o que já foi dito antes, por assim dizer, para resumir. Isso ajudará a não retornar aos artigos anteriores, a fim de lembrar uma fórmula simples, ou simplesmente "o que é isso?"

Conexão paralela e em série de capacitores

Com uma conexão paralela de capacitores, a capacidade total é simplesmente a soma aritmética das capacidades. Naturalmente, com essa inclusão, a capacitância total será maior que a capacidade do maior capacitor. Total = C1 + C2 + C3 + ... + Cn.

No caso de uma conexão em série, a capacidade total é menor do que a menor.

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

Quando dois capacitores idênticos são conectados em série, a capacitância total será igual à metade da capacitância de um: por exemplo, ao conectar dois capacitores de 1 µF cada, a capacitância total será de 0,5 µF.

Capacitância Xc

Aqui, tudo, como ao conectar resistores, é exatamente o oposto: uma conexão em série reduz a capacitância total, enquanto uma paralela a aumenta. Esta circunstância não deve ser esquecida ao conectar capacitores, pois um aumento na capacitância leva a uma diminuição na capacitância Xc

Xc = 1/2 * π * f * C.

Do ponto de vista da matemática, isso é bastante natural, porque a capacidade C está no denominador da fração. A propósito, a frequência f está no mesmo local, portanto, um aumento na frequência também leva a uma diminuição na capacitância Xc. O significado físico disso é que, através do mesmo capacitor, é melhor, sem impedimentos, que as altas frequências passem. Isso será discutido um pouco mais tarde, quando se trata dos filtros passa-baixo e passa-alto.

Se usarmos um capacitor com capacidade de 1 μF, para uma frequência de 60 Hz, seu Xc será 2653 Ohms, e para uma frequência de 400 Hz, o mesmo capacitor terá um Xc de apenas 398 Ohms. Quem desejar pode verificar esses resultados pela fórmula, substituindo π = 3,14, a frequência em hertz e a capacitância em farads. Então o resultado será em ohms. Tudo deve estar em conformidade com o sistema SI!

Mas os capacitores são usados ​​não apenas como resistências de amortecimento livres ou em filtros retificadores. Sem a participação deles, circuitos para geradores de baixa e alta frequência, vários conversores de formas de onda, circuitos de diferenciação e integração, amplificadores e outros esquemas.

A seguir, serão considerados vários sinais elétricos com os quais os capacitores precisam trabalhar. Antes de mais, estes são sinais periódicos adequados para observação com osciloscópio.

Período e frequência de oscilações

A oscilação periódica é, portanto, denominada periódica, que, sem cessar, repete a mesma forma, por exemplo, uma oscilação sinusoidal. A duração desse balanço completo é precisamente chamada de período T e é medida em segundos, milissegundos, microssegundos.A eletrônica moderna lida com nanossegundos (um bilionésimo de segundo).

O número de períodos por segundo é chamado de frequência (com que freqüência) das oscilações f e é expresso em hertz. 1Hz é a frequência na qual uma oscilação, um período completo, é realizada em 1 segundo. A razão do período e da frequência é expressa pela fórmula simples T = 1 / f.

Conseqüentemente, conhecendo o período de oscilação, é muito simples calcular a frequência f = 1 / T.

É assim que a frequência é calculada ao medir com um osciloscópio: o número de células em um período é calculado, multiplicado pela duração de uma célula e o período é obtido, por exemplo, em microssegundos. E para descobrir a frequência, eles simplesmente usaram a última fórmula.

Ordinário osciloscópio eletrônico Permite observar apenas sinais periódicos que podem ser sincronizados com a frequência de varredura para obter uma imagem estática adequada para pesquisa. Se você enviar um sinal para um programa de música para a entrada do osciloscópio, não poderá parar a imagem para nada. Para observar esses sinais, são utilizados osciloscópios de armazenamento.

Quando um período é medido em milissegundos, a frequência é obtida em quilohertz, por um período medido em microssegundos, a frequência já é expressa em megahertz. Isto é, se você não seguir os requisitos do sistema SI: período em segundos, frequência em hertz.

Vibrações não sinusoidais

Como mencionado anteriormente, uma onda senoidal é a mais comum e adequada para estudo e uso prático da curva periódica. Em condições industriais, é obtido utilizando geradores elétricos, por exemplo, em usinas hidrelétricas. Nos dispositivos eletrônicos, vibrações das mais diversas formas são usadas.

Basicamente, essas são três formas: sinusoidal, retangular e triangular, conforme mostrado na Figura 1. Tanto a corrente quanto a tensão podem ter essa forma; portanto, a figura mostra apenas o eixo do tempo, o eixo das ordenadas fica sem nome.

Tais oscilações são geradas por circuitos eletrônicos especiais. Sinais retangulares e triangulares são freqüentemente chamados de pulsados. No entanto, existem muitos circuitos eletrônicos que realizam a conversão do sinal: por exemplo, um retângulo, um triângulo pode ser feito a partir de um sinusóide.

Figura 1

Para todos os três sinais, a figura mostra dois períodos, todos os sinais têm a mesma frequência.

Espectro de sinais não sinusoidais

Qualquer sinal elétrico pode ser representado como uma medida da amplitude em algum momento no tempo. A frequência dessas amostras é chamada de frequência de amostragem e pelo menos duas vezes maior que a frequência superior do sinal medido. Então, a partir dessas amostras, você pode restaurar o sinal original. Este método é usado, por exemplo, na gravação de som digital. Este método também é chamado de análise de tempo.

Outro método assume que qualquer sinal, mesmo retangular, pode ser representado como a soma algébrica de sinusóides com diferentes frequências e fases. Este método é chamado de análise de frequência. Mas, o que foi dito “com frequências diferentes” não é inteiramente verdadeiro: os sinusóides constituintes são chamados harmônicos e suas frequências obedecem a certas leis.

Uma onda senoidal cuja frequência é igual à frequência de uma onda quadrada é chamada de fundamental ou primeiro harmônico. Os harmônicos pares são obtidos multiplicando a frequência fundamental por um número par e os harmônicos ímpares, respectivamente, por ímpar.

Assim, se o primeiro harmônico tem uma frequência de 1000 Hz, o segundo é 2000 Hz, o quarto é 4000 Hz, etc. Harmônicas ímpares terão frequências de 3000Hz, 5000Hz. Além disso, cada harmônico é menor em amplitude que o principal: quanto maior o harmônico, menor a amplitude.

Na música, os harmônicos são chamados harmônicos. São eles que formam o timbre do som, tornam possível distinguir o violino do piano e o violão do saxofone. Eles não permitem confundir a voz masculina e feminina ou distinguir Petrov de Ivanov. E apenas o próprio senoide não pode mais ser decomposto ou montado a partir de quaisquer sinais.

A Figura 2 mostra a construção de um pulso retangular.

Figura 2

O primeiro e o terceiro harmônicos são mostrados na parte superior da figura. É fácil ver que em um período do primeiro harmônico, três períodos do terceiro passe. Nesse caso, a amplitude do terceiro harmônico é um terço do primeiro. A soma do primeiro e terceiro harmônicos também é mostrada aqui.

Abaixo, juntamente com a soma de 1 e 3 harmônicos, outros 5 harmônicos são mostrados: durante um período de um sinal retangular, ele consegue fazer exatamente cinco períodos. Nesse caso, sua amplitude é ainda menor, mais precisamente, exatamente 1/5 da principal (primeira). Mas não se deve pensar que tudo termina no quinto harmônico: ele simplesmente não pode ser mostrado na figura; de fato, há muito mais.

A formação de dentes de serra e sinais triangulares, mostrada na Figura 3., é um pouco mais complicada: se no caso anterior apenas harmônicos ímpares participavam, então mesmo harmônicos entram em cena.

Figura 3

Assim, podemos afirmar o fato de que, com a ajuda de muitos harmônicos, um sinal de qualquer formato é sintetizado, e o número e o tipo de harmônicos dependem da forma de onda, conforme mostrado nas Figuras 2 e 3.

Ao reparar e configurar equipamentos eletrônicos, um osciloscópio é usado para estudar sinais elétricos. Permite considerar a forma de sinais periódicos, sua amplitude, medir o período de repetição. Mas os harmônicos mostrados nas figuras 2 e 3 não podem ser vistos.

Mesmo se você conectar, por exemplo, uma guitarra elétrica a um osciloscópio, puxar uma corda, um sinusóide aparecer na tela, também será o primeiro harmônico. Nesse caso, não se pode falar em sobretons. O mesmo sinusóide resultará se você soprar no cano ou flauta na frente do microfone.

Como obter impulsos retangulares

Depois de nos familiarizar com os sinais elétricos, precisamos recuperar os capacitores com os quais o artigo começou. Antes de tudo, você deve se familiarizar com um dos circuitos eletrônicos clássicos - multivibrador, (Figura 4) é ele quem gera pulsos retangulares. O circuito é tão clássico que começa a funcionar imediatamente sem exigir configurações ou ajustes.

Figura 4

O multivibrador é um amplificador de dois estágios, coberto por feedback positivo. Se os resistores de carga do coletor R1 = R4, os resistores de base R2 = R3 são iguais e os capacitores C1 = C2 são iguais, o multivibrador é chamado de simétrico e gera pulsos de onda quadrada do tipo meandro - a duração do pulso é igual à duração da pausa.

O ciclo de trabalho desses pulsos (a razão do período para a duração do pulso) é igual a dois. Nos esquemas em inglês, tudo é exatamente o oposto: eles chamam de ciclo de serviço. É calculado como a razão da duração do pulso para o período de sua sucessão e é expresso como uma porcentagem. Assim, para o meandro, o ciclo de trabalho é de 50%.

O computador está correto?

O nome multivibrador foi proposto pelo físico holandês van der Pol, porque o espectro de um sinal retangular contém muitos harmônicos. Você pode verificar isso se conseguir colocar um receptor de rádio operando na faixa de ondas médias perto de um multivibrador que funcione mesmo com uma frequência de áudio: uivos virão do alto-falante. Isso sugere que, além da frequência sonora, o multivibrador também emite oscilações de alta frequência.

Para determinar a frequência de geração, pode-se usar a fórmula f = 700 / (C1 * R2).

Com esta forma da fórmula, a capacitância do capacitor em microfarads (μF), a resistência em quilo-ohms (KΩ), o resultado em hertz (Hz). Assim, a frequência é determinada pela constante de tempo do circuito C1 * R2; as cargas do coletor não afetam a frequência. Se tomarmos C1 = 0,02 μF, R2 = 39 KΩ, obtemos f = 700 / (0,02 * 39) = 897,4 Hz.

Multivibrador na era dos computadores e microcontroladores De acordo com esse esquema, quase nunca é usado, embora possa ser adequado para várias experiências. Primeiro de tudo, usando computadores. É assim que o circuito do multivibrador montado no programa Multisim se parece. A conexão do osciloscópio também é mostrada aqui.

Figura 5

Nesse circuito, capacitores e resistores são instalados como no exemplo anterior. A tarefa é verificar o cálculo de acordo com a fórmula se a mesma frequência será obtida. Para fazer isso, meça o período dos pulsos e, em seguida, recalcule-os em frequência. O resultado do osciloscópio Multisim é mostrado na Figura 6.

Figura 6

Alguns esclarecimentos à Figura 6.

Na tela do osciloscópio, o pulso vermelho mostra os pulsos no coletor de transistor e o azul nas bases. Abaixo da tela em uma grande janela branca, os números mostram os resultados da medição. Estamos interessados ​​na coluna "Time". O tempo é medido pelos indicadores T1 e T2 (triângulos vermelhos e azuis acima da tela).

Assim, o período de repetição do pulso T2-T1 = 1.107ms é mostrado com muita precisão. Resta apenas calcular a frequência f = 1 / T = 1 / 1.107 * 1000 = 903Hz.

O resultado é quase o mesmo que no cálculo de acordo com a fórmula, que é um pouco maior.

Os capacitores podem ser usados ​​não apenas separadamente: em combinação com os resistores, eles permitem que você simplesmente crie vários filtros ou circuitos de mudança de fase. Mas isso será discutido no próximo artigo.

Continuação do artigo: Capacitores em circuitos eletrônicos. Parte 2

Boris Aladyshkin