Для чего нужна интегрирующая цепь

Интегрирующая цепь.

Назначение интегрирующих цепей.

Классификация интегрирующих цепей.

По элементной базе интегрирующие цепи классифицируются следующим образом:

· интегрирующие RC цепи на операционном усилителе.

В данном разделе будут рассматриваться только RC интегрирующие цепи.

Для чего нужна интегрирующая цепь. Смотреть фото Для чего нужна интегрирующая цепь. Смотреть картинку Для чего нужна интегрирующая цепь. Картинка про Для чего нужна интегрирующая цепь. Фото Для чего нужна интегрирующая цепь
Условное обозначение интегрирующих цепей:

Принцип действия RC интегрирующих цепей

Принцип действия RC интегрирующих цепей основан на заряде и разряде конденсатора.

При этом напряжение на выходе такой цепи изменяется по закону

Для чего нужна интегрирующая цепь. Смотреть фото Для чего нужна интегрирующая цепь. Смотреть картинку Для чего нужна интегрирующая цепь. Картинка про Для чего нужна интегрирующая цепь. Фото Для чего нужна интегрирующая цепь

Наиболее оптимальное соотношение длительности импульса и постоянной времени цепи: tц Для чего нужна интегрирующая цепь. Смотреть фото Для чего нужна интегрирующая цепь. Смотреть картинку Для чего нужна интегрирующая цепь. Картинка про Для чего нужна интегрирующая цепь. Фото Для чего нужна интегрирующая цепь10tи, т.е. tи/tц tразряда. В этом случае конденсатор успевает полностью разрядиться до прихода на вход схемы очередного импульса. И последующий импульс снова заряжает конденсатор от нулевого значения до максимального.

Для чего нужна интегрирующая цепь. Смотреть фото Для чего нужна интегрирующая цепь. Смотреть картинку Для чего нужна интегрирующая цепь. Картинка про Для чего нужна интегрирующая цепь. Фото Для чего нужна интегрирующая цепь
2. Когда постоянная разряда конденсатора больше периода следования импульсов, поступающих на вход цепи, т.е. Тп

Дата добавления: 2016-01-07 ; просмотров: 10325 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Источник

Для чего нужна интегрирующая цепь

Рассмотрим электрическую цепь из резистора сопротивлением R и конденсатора ёмкостью C, представленную на рисунке.

Для чего нужна интегрирующая цепь. Смотреть фото Для чего нужна интегрирующая цепь. Смотреть картинку Для чего нужна интегрирующая цепь. Картинка про Для чего нужна интегрирующая цепь. Фото Для чего нужна интегрирующая цепь

Элементы R и C соединены последовательно, значит, ток в их цепи можно выразить, исходя из производной напряжения заряда конденсатора dQ/dt = C(dU/dt) и закона Ома U/R. Напряжение на выводах резистора обозначим UR.
Тогда будет иметь место равенство:

Для чего нужна интегрирующая цепь. Смотреть фото Для чего нужна интегрирующая цепь. Смотреть картинку Для чего нужна интегрирующая цепь. Картинка про Для чего нужна интегрирующая цепь. Фото Для чего нужна интегрирующая цепь

Для чего нужна интегрирующая цепь. Смотреть фото Для чего нужна интегрирующая цепь. Смотреть картинку Для чего нужна интегрирующая цепь. Картинка про Для чего нужна интегрирующая цепь. Фото Для чего нужна интегрирующая цепь

В итоге получилось, что выходное напряжение U out прямо-пропорционально интегралу напряжения на выводах резистора, следовательно, и входному току I in.
Постоянная составляющая Const не зависит от номиналов элементов цепи.

Чтобы обеспечить прямую пропорциональную зависимость выходного напряжения U out от интеграла входного U in, необходима пропорциональность входного напряжения от входного тока.

Для простой цепи RC постоянную времени обычно берут на 1-2 порядка больше периода переменного входного сигнала, тогда основная и значительная часть входного напряжения будет падать на выводах резистора, обеспечивая в достаточной степени линейную зависимость U in/I in ≈ R.
В таком случае выходное напряжение U out будет с допустимой погрешностью пропорционально интегралу входного U in.
Чем больше величины номиналов RC, тем меньше переменная составляющая на выходе, тем более точной будет кривая функции.

В большинстве случаев, переменная составляющая интеграла не требуется при использовании таких цепей, нужна только постоянная Const, тогда номиналы RC можно выбирать по возможности большими, но с учётом входного сопротивления следующего каскада.

Для чего нужна интегрирующая цепь. Смотреть фото Для чего нужна интегрирующая цепь. Смотреть картинку Для чего нужна интегрирующая цепь. Картинка про Для чего нужна интегрирующая цепь. Фото Для чего нужна интегрирующая цепь

В данном случае постоянная времени лишь в пять раз больше времени периода, но визуально интегрирование прослеживается в достаточной степени точно.
График показывает, что выходное напряжение на уровне постоянной составляющей 0.5в будет треугольной формы, потому как участки, не меняющиеся во времени, для интеграла будут константой (обозначим её a), а интеграл константы будет линейной функцией. ∫adx = ax + Const. Величина константы a определит тангенса угла наклона линейной функции.

Для чего нужна интегрирующая цепь. Смотреть фото Для чего нужна интегрирующая цепь. Смотреть картинку Для чего нужна интегрирующая цепь. Картинка про Для чего нужна интегрирующая цепь. Фото Для чего нужна интегрирующая цепь

Для чего нужна интегрирующая цепь. Смотреть фото Для чего нужна интегрирующая цепь. Смотреть картинку Для чего нужна интегрирующая цепь. Картинка про Для чего нужна интегрирующая цепь. Фото Для чего нужна интегрирующая цепь

Недостаток простейшей цепочки в том, что переменная составляющая на выходе получается очень маленькой относительно входного напряжения.

Рассмотрим в качестве интегратора Операционный Усилитель (ОУ) по схеме, показанной на рисунке.

Для чего нужна интегрирующая цепь. Смотреть фото Для чего нужна интегрирующая цепь. Смотреть картинку Для чего нужна интегрирующая цепь. Картинка про Для чего нужна интегрирующая цепь. Фото Для чего нужна интегрирующая цепь

С учётом бесконечно большого сопротивления ОУ и правила Кирхгофа здесь будет справедливо равенство:

Для чего нужна интегрирующая цепь. Смотреть фото Для чего нужна интегрирующая цепь. Смотреть картинку Для чего нужна интегрирующая цепь. Картинка про Для чего нужна интегрирующая цепь. Фото Для чего нужна интегрирующая цепь

При номиналах элементов RC, когда τ = 1 Sec, выходное переменное напряжение будет равно по значению интегралу входного. Но, противоположно по знаку. Идеальный интегратор-инвертор при идеальных элементах схемы.

Дифференцирующая цепь RC

Рассмотрим дифференциатор с применением Операционного Усилителя.

Для чего нужна интегрирующая цепь. Смотреть фото Для чего нужна интегрирующая цепь. Смотреть картинку Для чего нужна интегрирующая цепь. Картинка про Для чего нужна интегрирующая цепь. Фото Для чего нужна интегрирующая цепь

При величине постоянной времени RC, равной единице, выходное напряжение будет равно по значению производной входного напряжения, но противоположно по знаку. Следовательно, рассмотренная схема дифференцирует и инвертирует входной сигнал.

Производная константы равна нулю, поэтому постоянная составляющая при дифференцировании на выходе будет отсутствовать.

В качестве примера, подадим на вход дифференциатора сигнал треугольной формы. На выходе получим прямоугольный сигнал.
Производная линейного участка функции будет константой, знак и величина которой определится наклоном линейной функции.

Для чего нужна интегрирующая цепь. Смотреть фото Для чего нужна интегрирующая цепь. Смотреть картинку Для чего нужна интегрирующая цепь. Картинка про Для чего нужна интегрирующая цепь. Фото Для чего нужна интегрирующая цепь

Для простейшей дифференцирующей цепочки RC из двух элементов используем пропорциональную зависимость выходного напряжения от производной напряжения на выводах конденсатора.

Для чего нужна интегрирующая цепь. Смотреть фото Для чего нужна интегрирующая цепь. Смотреть картинку Для чего нужна интегрирующая цепь. Картинка про Для чего нужна интегрирующая цепь. Фото Для чего нужна интегрирующая цепь

Если взять номиналы элементов RC, чтобы постоянная времени была на 1-2 порядка меньше длины периода, тогда отношение приращения входного напряжения к приращению времени в пределах периода может определять скорость изменения входного напряжения в определённой степени точно. В идеале это приращение должно стремиться к нулю. В таком случае основная часть входного напряжения будет падать на выводах конденсатора, а выходное будет составлять незначительную часть от входного, поэтому для вычислений производной такие схемы практически не используются.

Для чего нужна интегрирующая цепь. Смотреть фото Для чего нужна интегрирующая цепь. Смотреть картинку Для чего нужна интегрирующая цепь. Картинка про Для чего нужна интегрирующая цепь. Фото Для чего нужна интегрирующая цепь

На выходе дифференцирующей цепи амплитудное напряжение после подачи импульса появляется мгновенно, так как на выводах разряженного конденсатора оно равно нулю.
Далее следует процесс заряда и напряжение на выводах резистора убывает. За время 3τ оно уменьшится до 5% амплитудного значения.

Для чего нужна интегрирующая цепь. Смотреть фото Для чего нужна интегрирующая цепь. Смотреть картинку Для чего нужна интегрирующая цепь. Картинка про Для чего нужна интегрирующая цепь. Фото Для чего нужна интегрирующая цепь

Замечания и предложения принимаются и приветствуются!

Источник

RC-цепь. Дифференцирующие и интегрирующие RC-цепи.

Для чего нужна интегрирующая цепь. Смотреть фото Для чего нужна интегрирующая цепь. Смотреть картинку Для чего нужна интегрирующая цепь. Картинка про Для чего нужна интегрирующая цепь. Фото Для чего нужна интегрирующая цепь

Для чего нужна интегрирующая цепь. Смотреть фото Для чего нужна интегрирующая цепь. Смотреть картинку Для чего нужна интегрирующая цепь. Картинка про Для чего нужна интегрирующая цепь. Фото Для чего нужна интегрирующая цепь

Обсудив в предыдущих статьях устройство и принцип работы резисторов, конденсаторов и катушек индуктивности, мы имеем полное право перейти к рассмотрению цепей, состоящих из этих элементов! Этим мы сегодня и займемся. И первая RC-цепь, работу которой мы рассмотрим…

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:

Для чего нужна интегрирующая цепь. Смотреть фото Для чего нужна интегрирующая цепь. Смотреть картинку Для чего нужна интегрирующая цепь. Картинка про Для чего нужна интегрирующая цепь. Фото Для чего нужна интегрирующая цепь

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 u_c из первого выражения и подставим во второе:

При условии, что C R\medspace\frac>

(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 C R\medspace\frac>

>> u_ (быстрое изменение напряжения). При выполнении этого равенства мы получаем такую ситуацию:

То есть: U_ \approx U_ .

Давайте разберемся, какой смысл несет в себе эта характеристика цепи 🙂 Заряд и разряд конденсатора происходит по экспоненциальному закону:

Здесь U_0 — напряжение на заряженном конденсаторе в начальный момент времени. Теперь посмотрим, каким будет значение напряжения по истечении времени \tau :

Напряжение на конденсаторе уменьшится до 37% от первоначального. Таким образом, \tau — это время, за которое конденсатор:

С постоянной времени цепи мы разобрались, давайте вернемся к дифференцирующей RC-цепи. Теоретические аспекты функционирования 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:

Для чего нужна интегрирующая цепь. Смотреть фото Для чего нужна интегрирующая цепь. Смотреть картинку Для чего нужна интегрирующая цепь. Картинка про Для чего нужна интегрирующая цепь. Фото Для чего нужна интегрирующая цепь

А вот как выглядит осциллограмма выходного сигнала (второй канал — синий цвет):

Для чего нужна интегрирующая цепь. Смотреть фото Для чего нужна интегрирующая цепь. Смотреть картинку Для чего нужна интегрирующая цепь. Картинка про Для чего нужна интегрирующая цепь. Фото Для чего нужна интегрирующая цепь

Что же мы тут видим?

Для чего нужна интегрирующая цепь. Смотреть фото Для чего нужна интегрирующая цепь. Смотреть картинку Для чего нужна интегрирующая цепь. Картинка про Для чего нужна интегрирующая цепь. Фото Для чего нужна интегрирующая цепь

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 \tau :

Для чего нужна интегрирующая цепь. Смотреть фото Для чего нужна интегрирующая цепь. Смотреть картинку Для чего нужна интегрирующая цепь. Картинка про Для чего нужна интегрирующая цепь. Фото Для чего нужна интегрирующая цепь

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.

Интегрирующая RC-цепь.

Для чего нужна интегрирующая цепь. Смотреть фото Для чего нужна интегрирующая цепь. Смотреть картинку Для чего нужна интегрирующая цепь. Картинка про Для чего нужна интегрирующая цепь. Фото Для чего нужна интегрирующая цепь

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 \tau 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 ( \int Cdx = Cx ). Таким образом, на выходе мы должны увидеть пилообразное напряжение. Проверим теоретические выкладки на практике:

Для чего нужна интегрирующая цепь. Смотреть фото Для чего нужна интегрирующая цепь. Смотреть картинку Для чего нужна интегрирующая цепь. Картинка про Для чего нужна интегрирующая цепь. Фото Для чего нужна интегрирующая цепь

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!

Источник

RC цепь

R — это резистор, С — конденсатор, а вместе они образуют RC-цепь, то есть это цепь, которая состоит из конденсатора и резистора. Все просто 😉

Принцип работы RC цепи

Как вы помните, конденсатор представляет из себя две обкладки на некотором расстоянии друг от друга.

Для чего нужна интегрирующая цепь. Смотреть фото Для чего нужна интегрирующая цепь. Смотреть картинку Для чего нужна интегрирующая цепь. Картинка про Для чего нужна интегрирующая цепь. Фото Для чего нужна интегрирующая цепь

Вы, наверное, помните, что его емкость зависит от площади обкладок, от расстояния между ними, а также от вещества, которое находится между обкладками. Или формулой для плоского конденсатора:

Для чего нужна интегрирующая цепь. Смотреть фото Для чего нужна интегрирующая цепь. Смотреть картинку Для чего нужна интегрирующая цепь. Картинка про Для чего нужна интегрирующая цепь. Фото Для чего нужна интегрирующая цепь

Для чего нужна интегрирующая цепь. Смотреть фото Для чего нужна интегрирующая цепь. Смотреть картинку Для чего нужна интегрирующая цепь. Картинка про Для чего нужна интегрирующая цепь. Фото Для чего нужна интегрирующая цепь

Ладно, ближе к делу. Пусть у нас имеется конденсатор. Что с ним можно сделать? Правильно, зарядить 😉 Для этого берем источник постоянного напряжения и подаем заряд на конденсатор, тем самым заряжая его:

Для чего нужна интегрирующая цепь. Смотреть фото Для чего нужна интегрирующая цепь. Смотреть картинку Для чего нужна интегрирующая цепь. Картинка про Для чего нужна интегрирующая цепь. Фото Для чего нужна интегрирующая цепь

В результате, у нас конденсатор зарядится. На одной обкладке будет положительный заряд, а на другой обкладке — отрицательный:

Для чего нужна интегрирующая цепь. Смотреть фото Для чего нужна интегрирующая цепь. Смотреть картинку Для чего нужна интегрирующая цепь. Картинка про Для чего нужна интегрирующая цепь. Фото Для чего нужна интегрирующая цепь

Даже если убрать батарею, у нас заряд на конденсаторе все равно сохранится в течение какого-то времени.

Для чего нужна интегрирующая цепь. Смотреть фото Для чего нужна интегрирующая цепь. Смотреть картинку Для чего нужна интегрирующая цепь. Картинка про Для чего нужна интегрирующая цепь. Фото Для чего нужна интегрирующая цепь

Сохранность заряда зависит от сопротивления материала между пластинами. Чем оно меньше, тем быстрее со временем будет разряжаться конденсатор, создавая ток утечки. Поэтому самыми плохими, в плане сохранности заряда, являются электролитические конденсаторы, или в народе — электролиты:

Для чего нужна интегрирующая цепь. Смотреть фото Для чего нужна интегрирующая цепь. Смотреть картинку Для чего нужна интегрирующая цепь. Картинка про Для чего нужна интегрирующая цепь. Фото Для чего нужна интегрирующая цепь

Но что произойдет, если к конденсатору мы подсоединим резистор?

Для чего нужна интегрирующая цепь. Смотреть фото Для чего нужна интегрирующая цепь. Смотреть картинку Для чего нужна интегрирующая цепь. Картинка про Для чего нужна интегрирующая цепь. Фото Для чего нужна интегрирующая цепь

Конденсатор разрядится, так как цепь станет замкнутой. Разряжаться он будет через резистор. В разряде конденсатора через резистор и заложен весь принцип работы RC цепочки.

Постоянная времени RC-цепи

Но дело в том, что мы не можем наблюдать процесс разрядки конденсатора, просто посмотрев на RC цепь. Для этого нам понадобится цифровой осциллограф с функцией записи сигнала. Благо на моем рабочем столе уже есть место этому прибору:

Для чего нужна интегрирующая цепь. Смотреть фото Для чего нужна интегрирующая цепь. Смотреть картинку Для чего нужна интегрирующая цепь. Картинка про Для чего нужна интегрирующая цепь. Фото Для чего нужна интегрирующая цепь

Итак, план действий будет такой: мы будем заряжать конденсатор с помощью блока питания, а потом разряжать его на резисторе и смотреть осциллограмму, как разряжается конденсатор.

Соберем классическую схему, которая есть в любом учебнике по электронике:

в этот момент мы заряжаем конденсатор

Для чего нужна интегрирующая цепь. Смотреть фото Для чего нужна интегрирующая цепь. Смотреть картинку Для чего нужна интегрирующая цепь. Картинка про Для чего нужна интегрирующая цепь. Фото Для чего нужна интегрирующая цепь

потом переключаем тумблер S в другое положение и разряжаем конденсатор, наблюдая процесс разряда конденсатора на осциллографе

Для чего нужна интегрирующая цепь. Смотреть фото Для чего нужна интегрирующая цепь. Смотреть картинку Для чего нужна интегрирующая цепь. Картинка про Для чего нужна интегрирующая цепь. Фото Для чего нужна интегрирующая цепь

Думаю, с этим все понятно. Ну что же, приступим к сборке.

Берем макетную плату и собираем схемку. Конденсатор я взял емкостью в 100мкФ, а резистор 1 КилоОм.

Для чего нужна интегрирующая цепь. Смотреть фото Для чего нужна интегрирующая цепь. Смотреть картинку Для чего нужна интегрирующая цепь. Картинка про Для чего нужна интегрирующая цепь. Фото Для чего нужна интегрирующая цепь

Вместо тумблера S я буду вручную перекидывать желтый проводок.

Ну все, цепляемся щупом осциллографа к резистору

Для чего нужна интегрирующая цепь. Смотреть фото Для чего нужна интегрирующая цепь. Смотреть картинку Для чего нужна интегрирующая цепь. Картинка про Для чего нужна интегрирующая цепь. Фото Для чего нужна интегрирующая цепь

и смотрим осциллограмму, как разряжается конденсатор.

Для чего нужна интегрирующая цепь. Смотреть фото Для чего нужна интегрирующая цепь. Смотреть картинку Для чего нужна интегрирующая цепь. Картинка про Для чего нужна интегрирующая цепь. Фото Для чего нужна интегрирующая цепь

Те, кто впервые читает про RC-цепи, думаю, немного удивлены. По логике, разряд должен проходить прямолинейно, но здесь мы видим загибулину. Разряд происходит по так называемой экспоненте. Так как я не люблю алгебру и матанализ, то не буду приводить различные математические выкладки. Кстати, а что такое экспонента? Ну экспонента — это график функции «е в степени икс». Короче, все учились в школе, вам лучше знать 😉

Итак, думаю стоит запомнить, что постоянная времени RC-цепи равняется произведению номиналов сопротивления и емкости и выражается в секундах, или формулой:

R — сопротивление, Ом

Для тех, кто любит считать глазами, можно построить уровень в 37% от амплитуды сигнала и затем уже аппроксимировать на ось времени. Это и будет постоянная времени RC-цепи. Как вы видите, наши алгебраические расчеты почти полностью сошлись с геометрическими, так как цена деления стороны одного квадратика по времени равняется 50 миллисекундам.

Для чего нужна интегрирующая цепь. Смотреть фото Для чего нужна интегрирующая цепь. Смотреть картинку Для чего нужна интегрирующая цепь. Картинка про Для чего нужна интегрирующая цепь. Фото Для чего нужна интегрирующая цепь

В идеальном случае конденсатор сразу же заряжается, если на него подать напряжение. Но в реальном все-таки есть некоторое сопротивление ножек, но все равно можно считать, что заряд происходит почти мгновенно. Но что будет, если заряжать конденсатор через резистор? Разбираем прошлую схему и стряпаем новую:

Для чего нужна интегрирующая цепь. Смотреть фото Для чего нужна интегрирующая цепь. Смотреть картинку Для чего нужна интегрирующая цепь. Картинка про Для чего нужна интегрирующая цепь. Фото Для чего нужна интегрирующая цепь

как только мы замыкаем ключ S, у нас конденсатор начинает заряжаться от нуля и до значения 10 Вольт, то есть до значения, которое мы выставили на блоке питания

Для чего нужна интегрирующая цепь. Смотреть фото Для чего нужна интегрирующая цепь. Смотреть картинку Для чего нужна интегрирующая цепь. Картинка про Для чего нужна интегрирующая цепь. Фото Для чего нужна интегрирующая цепь

Наблюдаем осциллограмму, снятую с конденсатора

Для чего нужна интегрирующая цепь. Смотреть фото Для чего нужна интегрирующая цепь. Смотреть картинку Для чего нужна интегрирующая цепь. Картинка про Для чего нужна интегрирующая цепь. Фото Для чего нужна интегрирующая цепь

Ничего общего не увидели с прошлой осциллограммой, где мы разряжали конденсатор на резистор? Да, все верно. Заряд тоже идет по экспоненте ;-). Так как радиодетали у нас одинаковые, то и постоянная времени тоже одинаковая. Графическим способом она высчитывается как 63% от амплитуды сигнала

Для чего нужна интегрирующая цепь. Смотреть фото Для чего нужна интегрирующая цепь. Смотреть картинку Для чего нужна интегрирующая цепь. Картинка про Для чего нужна интегрирующая цепь. Фото Для чего нужна интегрирующая цепь

Как вы видите, мы получили те же самые 100 миллисекунд.

По формуле постоянной времени RC-цепи, нетрудно догадаться, что изменение номиналов сопротивления и конденсатора повлечет за собой изменение и постоянной времени. Поэтому, чем меньше емкость и сопротивление, тем короче по времени постоянная времени. Следовательно, заряд или разряд будет происходить быстрее.

Для примера, давайте поменяем значение емкости конденсатора в меньшую сторону. Итак, у нас был конденсатора номиналом в 100 мкФ, а мы поставим 10 мкФ, резистор оставляем такого же номинала в 1 кОм. Посмотрим еще раз на графики заряда и разряда.

Вот так заряжается наш конденсатор номиналом в 10 мкФ

Для чего нужна интегрирующая цепь. Смотреть фото Для чего нужна интегрирующая цепь. Смотреть картинку Для чего нужна интегрирующая цепь. Картинка про Для чего нужна интегрирующая цепь. Фото Для чего нужна интегрирующая цепь

А вот так он разряжается

Для чего нужна интегрирующая цепь. Смотреть фото Для чего нужна интегрирующая цепь. Смотреть картинку Для чего нужна интегрирующая цепь. Картинка про Для чего нужна интегрирующая цепь. Фото Для чего нужна интегрирующая цепь

Строим на графике заряда или разряда прямую на соответствующем уровне и аппроксимируем ее на ось времени. На графике разряда будет проще 😉

Для чего нужна интегрирующая цепь. Смотреть фото Для чего нужна интегрирующая цепь. Смотреть картинку Для чего нужна интегрирующая цепь. Картинка про Для чего нужна интегрирующая цепь. Фото Для чего нужна интегрирующая цепь

Одна сторона квадратика по оси времени у нас 10 миллисекунд (чуть ниже рабочего поля написано M:10 ms), поэтому нетрудно посчитать, что постоянная времени у нас 10 миллисекунд ;-). Все элементарно и просто.

То же самое можно сказать и про сопротивление. Емкость я оставляю такой же, то есть 10 мкФ, резистор меняю с 1 кОм на 10 кОм. Смотрим, что получилось:

Для чего нужна интегрирующая цепь. Смотреть фото Для чего нужна интегрирующая цепь. Смотреть картинку Для чего нужна интегрирующая цепь. Картинка про Для чего нужна интегрирующая цепь. Фото Для чего нужна интегрирующая цепь

Для чего нужна интегрирующая цепь. Смотреть фото Для чего нужна интегрирующая цепь. Смотреть картинку Для чего нужна интегрирующая цепь. Картинка про Для чего нужна интегрирующая цепь. Фото Для чего нужна интегрирующая цепь

Вывод: чем больше номинал конденсатора и резистора, тем больше постоянная времени, и наоборот, чем меньше номиналы этих радиоэлементов, тем меньше постоянная времени. Все просто 😉

Ладно, думаю, с этим все понятно. Но куда можно применить этот принцип зарядки и разрядки конденсатора? Оказывается, применение нашлось…

Интегрирующая RC цепь

Собственно сама схема:

Для чего нужна интегрирующая цепь. Смотреть фото Для чего нужна интегрирующая цепь. Смотреть картинку Для чего нужна интегрирующая цепь. Картинка про Для чего нужна интегрирующая цепь. Фото Для чего нужна интегрирующая цепь

А что будет, если мы на нее будем подавать прямоугольный сигнал с разной частотой? В дело идет китайский генератор функций:

Для чего нужна интегрирующая цепь. Смотреть фото Для чего нужна интегрирующая цепь. Смотреть картинку Для чего нужна интегрирующая цепь. Картинка про Для чего нужна интегрирующая цепь. Фото Для чего нужна интегрирующая цепь

Выставляем на нем частоту 1 Герц и размахом в 5 Вольт

Для чего нужна интегрирующая цепь. Смотреть фото Для чего нужна интегрирующая цепь. Смотреть картинку Для чего нужна интегрирующая цепь. Картинка про Для чего нужна интегрирующая цепь. Фото Для чего нужна интегрирующая цепь

Желтая осциллограмма — это сигнал с генератора функций, который подается на вход интегрирующей цепи на клеммы Х1, Х2, а с выхода мы снимаем красную осциллограмму, то есть с клемм Х3, Х4:

Для чего нужна интегрирующая цепь. Смотреть фото Для чего нужна интегрирующая цепь. Смотреть картинку Для чего нужна интегрирующая цепь. Картинка про Для чего нужна интегрирующая цепь. Фото Для чего нужна интегрирующая цепь

Как вы могли заметить, конденсатор почти полностью успевает зарядиться и разрядиться.

Но что будет, если мы добавим частоту? Выставляю на генераторе частоту в 10 Герц. Смотрим что у нас получилось:

Для чего нужна интегрирующая цепь. Смотреть фото Для чего нужна интегрирующая цепь. Смотреть картинку Для чего нужна интегрирующая цепь. Картинка про Для чего нужна интегрирующая цепь. Фото Для чего нужна интегрирующая цепь

Конденсатор не успевает заряжаться и разряжаться как уже приходит новый прямоугольный импульс. Как мы видим, амплитуда выходного сигнала очень сильно просела, можно сказать, он скукожился ближе к нулю.

А сигнал в 100 Герц вообще не оставил ничего от сигнала, кроме малозаметных волн

Для чего нужна интегрирующая цепь. Смотреть фото Для чего нужна интегрирующая цепь. Смотреть картинку Для чего нужна интегрирующая цепь. Картинка про Для чего нужна интегрирующая цепь. Фото Для чего нужна интегрирующая цепь

Сигнал в 1 Килогерц на выходе вообще не дал ничего…

Для чего нужна интегрирующая цепь. Смотреть фото Для чего нужна интегрирующая цепь. Смотреть картинку Для чего нужна интегрирующая цепь. Картинка про Для чего нужна интегрирующая цепь. Фото Для чего нужна интегрирующая цепь

Еще бы! Попробуй-ка с такой частотой перезаряжать конденсатор 🙂

Все то же самое касается и других сигналов: синусоиды и треугольного. везде выходной сигнал почти равен нулю на частоте 1 Килогерц и выше.

Для чего нужна интегрирующая цепь. Смотреть фото Для чего нужна интегрирующая цепь. Смотреть картинку Для чего нужна интегрирующая цепь. Картинка про Для чего нужна интегрирующая цепь. Фото Для чего нужна интегрирующая цепь

Для чего нужна интегрирующая цепь. Смотреть фото Для чего нужна интегрирующая цепь. Смотреть картинку Для чего нужна интегрирующая цепь. Картинка про Для чего нужна интегрирующая цепь. Фото Для чего нужна интегрирующая цепь

«И это все, на что способна интегрирующая цепь?» — спросите вы. Конечно нет! Это было только начало.

Давайте разберемся… Почему у нас с возрастанием частоты сигнал стал прижиматься к нулю и потом вообще пропал?

Итак, во-первых, эта цепь у нас получается как делитель напряжения, и во-вторых, конденсатор — это частотно-зависимый радиоэлемент. Его сопротивление зависит от частоты. Про это можно прочитать в статье конденсатор в цепи постоянного и переменного тока. Следовательно, если бы мы подавали постоянный ток на вход (у постоянного тока частота 0 Герц), то и на выходе бы тоже получили тот же самый постоянный ток такого же значения, которое загоняли на вход. В это случае конденсатору ведь по барабану. Все что он сможет сделать в этой ситуации — тупо зарядиться по экспоненте и все. На этом его участь в цепи постоянного тока заканчивается и он стает диэлектриком для постоянного тока.

Но как только в цепь подается переменный сигнал, конденсатор вступает в игру. Тут его сопротивление уже зависит от частоты. И чем она больше, тем меньшим сопротивлением обладает конденсатор. Формула сопротивления конденсатора от частоты:

Для чего нужна интегрирующая цепь. Смотреть фото Для чего нужна интегрирующая цепь. Смотреть картинку Для чего нужна интегрирующая цепь. Картинка про Для чего нужна интегрирующая цепь. Фото Для чего нужна интегрирующая цепь

ХС — это сопротивление конденсатора, Ом

π — постоянная и равняется приблизительно 3,14

С — емкость конденсатора, Фарад

F — частота, измеряется в Герцах

С — емкость, измеряется в Фарадах

Итак, что в результате получается? А получается то, что чем больше частота, тем меньше сопротивление конденсатора. На нулевой частоте у нас сопротивление конденсатора в идеале стает равно бесконечности (поставьте в формулу 0 Герц частоту). А так как у нас получился делитель напряжения

Для чего нужна интегрирующая цепь. Смотреть фото Для чего нужна интегрирующая цепь. Смотреть картинку Для чего нужна интегрирующая цепь. Картинка про Для чего нужна интегрирующая цепь. Фото Для чего нужна интегрирующая цепь

следовательно, на меньшем сопротивлении падает меньшее напряжение. С ростом частоты сопротивление конденсатора очень сильно уменьшается и поэтому падение напряжения на нем стает почти 0 Вольт, что мы и наблюдали на осциллограмме.

Но на этом ништяки не заканчиваются.

Давайте вспомним, что из себя представляет сигнал с постоянной составляющей. Это есть ничто иное, как сумма переменного сигнала и постоянного напряжения. Взглянув на рисунок ниже, вам все станет ясно.

Для чего нужна интегрирующая цепь. Смотреть фото Для чего нужна интегрирующая цепь. Смотреть картинку Для чего нужна интегрирующая цепь. Картинка про Для чего нужна интегрирующая цепь. Фото Для чего нужна интегрирующая цепь

То есть в нашем случае можно сказать, этот сигнал (ниже на картинке) имеет в своем составе постоянную составляющую, другими словами, постоянное напряжение

Для чего нужна интегрирующая цепь. Смотреть фото Для чего нужна интегрирующая цепь. Смотреть картинку Для чего нужна интегрирующая цепь. Картинка про Для чего нужна интегрирующая цепь. Фото Для чего нужна интегрирующая цепь

Для того, чтобы выделить постоянную составляющую из этого сигнала, нам достаточно прогнать его через нашу интегрирующую цепь. Давайте рассмотрим все это на примере. С помощью нашего генератора функций мы поднимем нашу синусоиду «над полом», то есть сделаем вот так:

Для чего нужна интегрирующая цепь. Смотреть фото Для чего нужна интегрирующая цепь. Смотреть картинку Для чего нужна интегрирующая цепь. Картинка про Для чего нужна интегрирующая цепь. Фото Для чего нужна интегрирующая цепь

Итак, все как обычно, желтый входной сигнал цепи, красный — выходной. Простая двухполярная синусоида дает нам на выходе RC интегрирующей цепи 0 Вольт:

Для чего нужна интегрирующая цепь. Смотреть фото Для чего нужна интегрирующая цепь. Смотреть картинку Для чего нужна интегрирующая цепь. Картинка про Для чего нужна интегрирующая цепь. Фото Для чего нужна интегрирующая цепь

Чтобы понять, где нулевой уровень сигналов, я их пометил квадратиком:

Для чего нужна интегрирующая цепь. Смотреть фото Для чего нужна интегрирующая цепь. Смотреть картинку Для чего нужна интегрирующая цепь. Картинка про Для чего нужна интегрирующая цепь. Фото Для чего нужна интегрирующая цепь

Теперь давайте я добавлю постоянную составляющую в синусоиду, а точнее — постоянное напряжение, благо это сделать мне позволяет генератор функций:

Для чего нужна интегрирующая цепь. Смотреть фото Для чего нужна интегрирующая цепь. Смотреть картинку Для чего нужна интегрирующая цепь. Картинка про Для чего нужна интегрирующая цепь. Фото Для чего нужна интегрирующая цепь

Как вы видите, как только я поднял синус «над полом», на выходе цепи я получил постоянное напряжение величиной в 5 Вольт. Именно на 5 Вольт я поднимал сигнал в генераторе функций ;-). Цепочка выделила постоянную составляющую из синусоидального приподнятого сигнала без проблем. Чудеса!

Но мы так и не разобрались, почему цепь называется интегрирующей? Кто хорошо учился в школе, в классе эдак 8-9, то наверняка помнит геометрический смысл интеграла — это есть ничто иное, как площадь под кривой.

Давайте рассмотрим тазик с кубиками льда в двухмерной плоскости:

Для чего нужна интегрирующая цепь. Смотреть фото Для чего нужна интегрирующая цепь. Смотреть картинку Для чего нужна интегрирующая цепь. Картинка про Для чего нужна интегрирующая цепь. Фото Для чего нужна интегрирующая цепь

Что будет, если весь лед растает и превратится в воду? Все верно, вода ровным слоем покроет тазик одной плоскостью:

Для чего нужна интегрирующая цепь. Смотреть фото Для чего нужна интегрирующая цепь. Смотреть картинку Для чего нужна интегрирующая цепь. Картинка про Для чего нужна интегрирующая цепь. Фото Для чего нужна интегрирующая цепь

Но какой будет этот уровень воды? Вот именно — средний. Это среднее значение этих башен из кубиков льда. Так вот, интегрирующая цепочка делает то же самое! Тупо усредняет значение сигналов до одного постоянного уровня! Можно сказать, усредняет площадь до одного постоянного уровня.

Но самый смак получается тогда, когда мы подаем на вход прямоугольный сигнал. Давайте так и сделаем. Подадим положительный меандр на RC интегрирующую цепь.

Для чего нужна интегрирующая цепь. Смотреть фото Для чего нужна интегрирующая цепь. Смотреть картинку Для чего нужна интегрирующая цепь. Картинка про Для чего нужна интегрирующая цепь. Фото Для чего нужна интегрирующая цепь

Как вы видите, постоянная составляющая меандра равна половине его амплитуды. Думаю, вы уже и сами догадались, если бы представили тазик с кубиками льда). Или просто подсчитайте площадь каждого импульса и размажьте его равномерным слоем по осциллограмме, как гов… как сливочное масло по хлебу 😉

Ну а теперь самое веселое. Сейчас я буду менять скважность нашего прямоугольного сигнала, так как скважность — это ничто иное, как отношение периода на длительность импульса, следовательно, мы будем менять длительность импульсов.

Уменьшаю длительность импульсов

Для чего нужна интегрирующая цепь. Смотреть фото Для чего нужна интегрирующая цепь. Смотреть картинку Для чего нужна интегрирующая цепь. Картинка про Для чего нужна интегрирующая цепь. Фото Для чего нужна интегрирующая цепь

Увеличиваю длительность импульсов

Для чего нужна интегрирующая цепь. Смотреть фото Для чего нужна интегрирующая цепь. Смотреть картинку Для чего нужна интегрирующая цепь. Картинка про Для чего нужна интегрирующая цепь. Фото Для чего нужна интегрирующая цепь

Если никто ничего до сих пор не заметил, просто взгляните на уровень красной осциллограммы и все станет понятно. Вывод: управляя скважностью, мы можем менять уровень постоянной составляющей. Именно этот принцип и заложен в ШИМ (Широтно-Импульсной Модуляции). О ней как-нибудь поговорим в отдельной статье.

Дифференцирующая RC цепь

Еще одно ругательное слово, которое пришло с математики — дифференцирующий. Башка начинает сразу же болеть от одного только их произношения. Но, куда деваться? Электроника и математика неразлучные друзья.

А вот и сама дифференциальная цепочка

Для чего нужна интегрирующая цепь. Смотреть фото Для чего нужна интегрирующая цепь. Смотреть картинку Для чего нужна интегрирующая цепь. Картинка про Для чего нужна интегрирующая цепь. Фото Для чего нужна интегрирующая цепь

В схеме мы только переставили резистор и конденсатор местами

Ну а теперь проведем также все опыты, как мы делали с интегрирующей цепью. Для начала подаем на вход дифференциальной цепи низкочастотный двухполярный меандр с частотой в 1,5 Герца и с размахом в 5 Вольт. Желтый сигнал — это сигнал с генератора частоты, красный — с выхода дифференциальной цепочки:

Для чего нужна интегрирующая цепь. Смотреть фото Для чего нужна интегрирующая цепь. Смотреть картинку Для чего нужна интегрирующая цепь. Картинка про Для чего нужна интегрирующая цепь. Фото Для чего нужна интегрирующая цепь

Как вы видите, конденсатор успевает почти полностью разрядится, поэтому у нас получилась вот такая красивая осциллограмма.

Давайте увеличим частоту до 10 Герц

Для чего нужна интегрирующая цепь. Смотреть фото Для чего нужна интегрирующая цепь. Смотреть картинку Для чего нужна интегрирующая цепь. Картинка про Для чего нужна интегрирующая цепь. Фото Для чего нужна интегрирующая цепь

Как видите, конденсатор не успевает разрядиться, как уже приходит новый импульс.

Сигнал в 100 Герц сделал кривую разряда еще менее заметной.

Для чего нужна интегрирующая цепь. Смотреть фото Для чего нужна интегрирующая цепь. Смотреть картинку Для чего нужна интегрирующая цепь. Картинка про Для чего нужна интегрирующая цепь. Фото Для чего нужна интегрирующая цепь

Ну и добавим частоту до 1 Килогерца

Для чего нужна интегрирующая цепь. Смотреть фото Для чего нужна интегрирующая цепь. Смотреть картинку Для чего нужна интегрирующая цепь. Картинка про Для чего нужна интегрирующая цепь. Фото Для чего нужна интегрирующая цепь

Какой на входе, такой и на выходе 😉 С такой частотой конденсатор вообще не успевает разряжаться, поэтому вершинки выходных импульсов гладкие и ровные.

Но и на этом тоже ништяки не заканчиваются.

Давайте я подниму входной сигнал над «уровнем моря», то есть выведу его в положительную часть полностью. Смотрим, что получается на выходе (красный сигнал)

Для чего нужна интегрирующая цепь. Смотреть фото Для чего нужна интегрирующая цепь. Смотреть картинку Для чего нужна интегрирующая цепь. Картинка про Для чего нужна интегрирующая цепь. Фото Для чего нужна интегрирующая цепь

Ничего себе, красный сигнал по форме и по положению остался таким же, посмотрите — в нем нет постоянной составляющей, как в желтом сигнале, который мы подавали из нашего генератора функций.

Могу даже желтый сигнал вывести в отрицательную область, но на выходе мы все равно получим переменную составляющую сигнала без всяких хлопот:

Для чего нужна интегрирующая цепь. Смотреть фото Для чего нужна интегрирующая цепь. Смотреть картинку Для чего нужна интегрирующая цепь. Картинка про Для чего нужна интегрирующая цепь. Фото Для чего нужна интегрирующая цепь

Да и вообще пусть сигнал будет с небольшой отрицательной постоянной составляющей, все равно на выходе мы получим переменную составляющую:

Для чего нужна интегрирующая цепь. Смотреть фото Для чего нужна интегрирующая цепь. Смотреть картинку Для чего нужна интегрирующая цепь. Картинка про Для чего нужна интегрирующая цепь. Фото Для чего нужна интегрирующая цепь

Все то же самое касается и любых других сигналов:

Для чего нужна интегрирующая цепь. Смотреть фото Для чего нужна интегрирующая цепь. Смотреть картинку Для чего нужна интегрирующая цепь. Картинка про Для чего нужна интегрирующая цепь. Фото Для чего нужна интегрирующая цепь

Для чего нужна интегрирующая цепь. Смотреть фото Для чего нужна интегрирующая цепь. Смотреть картинку Для чего нужна интегрирующая цепь. Картинка про Для чего нужна интегрирующая цепь. Фото Для чего нужна интегрирующая цепь

В результате опытов мы видим, что основная функция дифференциальной цепи — это выделение переменной составляющей из сигнала, который содержит в себе как переменную, так и постоянную составляющую. Иными словами — выделение переменного тока из сигнала, который состоит из суммы переменного тока и постоянного тока.

Почему так происходит? Давайте разберемся. Рассмотрим нашу дифференциальную цепь:

Для чего нужна интегрирующая цепь. Смотреть фото Для чего нужна интегрирующая цепь. Смотреть картинку Для чего нужна интегрирующая цепь. Картинка про Для чего нужна интегрирующая цепь. Фото Для чего нужна интегрирующая цепь

Если внимательно рассмотреть эту схему, то мы можем увидеть тот же самый делитель напряжения, как и в интегрирующей цепи. Конденсатор — частотно-зависимый радиоэлемент. Итак, если подать сигнал с частотой в 0 Герц (постоянный ток), то у нас конденсатор тупо зарядится и потом вообще перестанет пропускать через себя ток. Цепь будет в обрыве. Но если мы будем подавать переменный ток, то и через конденсатор он тоже начнет проходить. Чем больше частота — тем меньше сопротивление конденсатора. Следовательно, весь переменный сигнал будет падать на резисторе, с которого мы как раз и снимаем сигнал.

Но если мы будем подавать смешанный сигнал, то есть переменный ток + постоянный ток, то на выходе мы получим просто переменный ток. В этом мы с вами уже убеждались на опыте. Почему так произошло? Да потому что конденсатор не пропускает через себя постоянный ток!

Видео «Как работает RC-цепь РЕАЛЬНО. Понятное объяснение»

Заключение

Интегрирующую цепь также называют фильтром низких частот (ФНЧ), а дифференцирующую — фильтром высоких частот (ФВЧ). Более подробно про фильтры читаем здесь. Чтобы точнее их сделать, нужно провести расчет на нужную вам частоту. RC цепи используются везде, где надо выделить постоянную составляющую (ШИМ), переменную составляющую (межкаскадное соединение усилителей), выделить фронт сигнала, сделать задержку и тд… По мере глубины погружения в электронику вы будете часто встречаться с ними.

Крутой набор радиолюбителя по ссылке алиэкспрессе.

Источник

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *