Текст книги "Электроника в вопросах и ответах"

Автор книги: И. Хабловски

Соавторы: В. Скулимовски
сообщить о нарушении

Текущая страница: 3 (всего у книги 29 страниц)

Какие параметры характеризуют электрический импульс?

Электрический импульс характеризуется следующими основными параметрами: длительностью, частотой повторения пиковым значением (амплитудой), временем нарастания, формой колебания.

Длительность импульса определяется обычно на уровне, соответствующем половине вершины (амплитуды) импульса (рис. 1.25).

Частота повторения импульсов выражается зависимостью

f_и = 1/(Т₁ + Т₂) = 1/T.

Пиковое, среднее и действующее значения находят так же, как и для синусоидального колебания, но очевидно, что численные значения коэффициентов отличаются и зависят от параметров импульсов.

Рис. 1.25. Определение длительности импульса

Что называется временем формирования фронта импульса?

Время формирования фронта импульса определяет крутизну фронта (при заданном значении амплитуды), выраженную в единицах времени. Чаще всего его определяют как время, за которое мгновенное значение импульса нарастает от 10 до 90 % установившегося значения (рис. 1.26). Аналогично находят и время среза (от 90 до 10 %); время формирования фронта обычно обозначают t_ф. Невозможно создать импульсы с t_ф = 0, поскольку любое физическое явление, также и нарастание тока в цепи, требует определенного времени. Длительность фронта зависит от устройства, в котором импульс был сформирован, нот элементов этого устройства, Поэтому, если говорить точно, на практике могут существовать не прямоугольные, а лишь трапецеидальные импульсы. Однако название «прямоугольные» используется повсюду по отношению к импульсам с малым временем фронта и среза по сравнению с длительностью импульса.

Рис. 1.26. Определение длительности фронта и среза импульса

Что называется выбросом импульса?

Определение «выброс импульса» относится к той части прямоугольного импульса, на которой наблюдается короткое, но резкое увеличение мгновенного значения и которая предшествует вершине, т. е. той части импульса, для которой мгновенное значение постоянно или почти постоянно (рис. 1.27). Во многих применениях наличие выбросов является нежелательным эффектом.

Рис. 1.27. Форма импульса с выбросом

Что такое спектр электрических сигналов?

Основным электрическим сигналом является синусоидальный, который в «чистом» (неискаженном) виде представляет собой периодическое колебание, точно соответствующее одиночной синусоиде без гармонических составляющих. Прямоугольное колебание и другие периодические колебания, как уже указывалось выше, можно представлять с помощью суммы ряда (теоретически бесконечного) периодических колебаний с разными частотами, амплитудами и фазовыми углами. График, представляющий набор амплитуд отдельных гармонических составляющих колебания, называют его спектром (рис. 1.28).

Рис. 1.28. Спектр прямоугольного периодического колебания

Спектр периодического колебания имеет дискретный линейный характер, т е. в нем присутствуют определенные гармонические составляющие, являющиеся целыми, кратными основной частоте f₁. Обычно наибольшую амплитуду А_k имеют составляющие kf₁, с относительно низкими частотами, а амплитуды высших гармоник в общем относительно малы. Можно показать, что последние возрастают, когда импульсы становятся более узкими либо когда их крутизна становится большей: время фронта убывает. Для правильного воспроизведения формы импульса электронные узлы, через которые проходят импульсы, должны иметь определенную полосу пропускания. Ширина этой полосы связана с временем фронта t_ф следующей зависимостью: ширина полосы не менее 1/2t_ф. Если время нарастания выразим в микросекундах, то ширину полосы получим в мегагерцах.

Спектр непериодического колебания, например одиночного импульса, имеет непрерывный (сплошной) характер без точно определенных гармонических составляющих. Спектр сигнала изображения в телевидении периодичен. Но форма сигнала в каждом периоде отлична и представляет набор спектральных линий, перемещающихся вблизи состояния покоя, соответствующего простому неподвижному изображению.

Глава 2
ИЗЛУЧЕНИЕ И ВОЛНЫ. СОПРОТИВЛЕНИЕ. ЭЛЕМЕНТЫ И ЦЕПИ

Что такое электромагнитное излучение?

Это распространение в пространстве электрической энергии в виде переменных электрического и магнитного полей. Связанная с этим излучением электромагнитная волна переносит электрическую энергию на расстояние. Скорость распространения электромагнитной волны в вакууме равна примерно 300 000 км/с. Электромагнитная волна характеризуется частотой или длиной полны.

Связь Между частотой f и длиной волны λ в пространстве выражается следующим образом:

λ = с·Т = c/f,

где с – скорость света. Если λ выразим в метрах, а f – в килогерцах, то λ = 3·10⁵/f, а если / в мегагерцах, то λ = 3·10²/f.

Электромагнитные волны известны и достаточно изучены в диапазоне частот практически от 0 до 10²³ Гц. Спектр электромагнитных волн приведен в табл. 2.1.

На практике для радиосвязи используются волны с частотами от 10⁴ до 10¹¹ Гц, т. е. с длиной волны λ от 30 км до нескольких миллиметров. Классификация электромагнитных волн, применяемых в электронике и радиоэлектронике, приведена в табл. 2.2[3]3
  Старая классификация по длине волны здесь не приводится. – Прим. ред.


[Закрыть].

Свойства электромагнитных волн и их распространение в значительной степени зависят от длины волны.

Что такое звуковые волны?

Это возмущения, распространяющиеся в материальной среде, в основном в воздухе, и связанные с колебаниями частиц этой среды. Звуковые волны охватывают диапазон частот от 10–20 Гц (низкие звуки – басы) до 20 кГц (высокие звуки) и распространяются в воздухе со скоростью около 340 м/с. Это не электромагнитные волны, однако при использовании соответствующих преобразователей (микрофонов) звуковые волны легко удается преобразовать в электромагнитные волны той же частоты.

Электрический сигнал, соответствующий речи и музыке, называется акустическим сигналом или сигналом низкой частоты. Его можно усиливать, преобразовывать и передавать на большие расстояния, что невозможно осуществить при непосредственном использовании звуковых волн. Для преобразования электрического сигнала низкой частоты в звуковые волны применяют преобразователи, называемые громкоговорителями. В общем случае электрический сигнал, соответствующий звукам речи и музыки, не является периодическим сигналом и имеет нерегулярную форму.

Область науки и техники, занимающихся преобразованием акустической энергии в электрическую и обратно; а также передачей акустических сигналов, называется электроакустикой.

В каких единицах измеряется уровень звука?

Уровень звука можно выразить в единицах силы (интенсивности) звука – ваттах на квадратный метр, в единицах акустического давления в ньютонах на квадратный метр либо в единицах уровня громкости звучания – в фонах. Часто пользуются единицей, называемой децибелом и определяющей относительный уровень акустического давления, акустической мощности или силы звука.

Децибел – логарифмическая мера отношения двух численных значений акустических мощностей: число децибел равно 10 lg P₂/P₁.

Численное значение Р₁ часто называется уровнем отсчета (опорным). Человеческое ухо (так же как и глаз) реагирует нелинейно на внешние стимулы, причем отклик пропорционален логарифму возбуждения. С этой точки зрения применение децибелов очень удобно. Изменение мощности звука на 1 дБ едва ощущается ухом.

Весьма часто децибелы используют также для характеристики электрических сигналов, особенно акустических. Для уровней мощностей Р₂ относительно P₁ имеем число децибел 10 lg P₂/P₁, а для уровней напряжений U₂ относительно U₁ с учетом того, что Р = U²/R, число децибел равно 20 lg U₂/U₁. В табл. 2.3 приведены наиболее часто встречающиеся значении в децибелах и соответствующие им отношения напряжений и мощностей.

Что такое световое излучение?

Это электромагнитное излучение, лежащее в диапазоне видимого света и связанное со зрительными ощущениями человеческого глаза. Частоты световых волн лежат выше самых высоких частот радиоволн. Для передачи световых изображений на расстояние свет преобразуется в электрический сигнал путем использования соответствующих преобразователей, работающих, например, на принципе фотоэмиссии. Затем с помощью радиоэлектронных средств этот сигнал можно преобразовать и передать на большие расстояния.

Применение соответствующих электрооптических преобразователей позволяет осуществить обратную задачу, т. е. преобразование электрического сигнала в световое изображение.

Областью техники, которая главным образом занимается преобразованием света в сигнал и обратно, а также передачей этого сигнала, является телевидение.

Какие параметры определяют свет?

Качественными параметрами являются цвет и насыщение. Количественным параметром является яркость. Единицей яркости является кандела на квадратный метр, единицей освещенности – люкс. Имеются и другие величины, и единицы их измерения.

Что такое полное сопротивление?

Это электрическое сопротивление, называемое иначе комплексным или кажущимся. Оно относится к цепям переменного тока, в которых помимо элементов, представляющих действительное электрическое сопротивление R, находятся элементы цепей переменного тока, т. е. конденсаторы (С), или индуктивности (L). В этом случае результирующее электрическое сопротивление такой цепи для переменного тока называется полным сопротивлением и обозначается Z. В соответствии с законом Ома Z = U/I. Величина, обратная полному сопротивлению, называется проводимостью и обозначается Y.

В общем случае полное сопротивление состоит из двух частей – действительной и мнимой. Действительная, называемая резистивным или активным сопротивлением, обозначается R. Его значение на постоянном и переменном токе будет одинаковым. При протекании постоянного или переменного тока через активное сопротивление в нем происходит выделение тепла. Величина, обратная резистивному сопротивлению, называется активной (действительной) проводимостью и обозначается G, Единицей проводимости является сименс [См] – величина, обратная ому.

Мнимая часть полного сопротивления образует пассивное сопротивление, называемое реактивным, и обозначается – X. В реактивном сопротивлении: не происходит выделения тепла, а протекающий через него ток приводит к накоплению энергии в виде электромагнитного ноля. Наличие реактивности в цепи вызывает фазовый сдвиг между током и напряжением. Различают емкостную реактивность Х_с, сопротивление конденсатора С для переменного тока, и индуктивное сопротивление X_L – сопротивление катушки индуктивности для переменного тока. Величина, обратная реактивному сопротивлению, называется пассивной или кажущейся проводимостью и обозначается В. Численное значение модуля Z цепи переменного тока с активным сопротивлением R и реактивным сопротивлением X определяется формулой.

Какое электрическое сопротивление имеет конденсатор?

Это зависит от вида тока. Для постоянного– тока идеальный конденсатор представляет собой сопротивление (активное) R = , не позволяющее протекать постоянному току. На переменном токе с частотой f реактивное сопротивление конденсатора С или емкостное сопротивление выражается формулой

Х_с = 1/2πfС.

Если перейти от частоты f к ω, то

Х_с = 1/ωС.

Из этой зависимости следует, что емкостное сопротивление убывает с ростом частоты тока. На очень высоких частотах емкостное сопротивление стремится к нулю.

Как уже указывалось, реактивность вызывает сдвиг фазы между током и напряжением (рис. 2.1). В результате этого сдвига (для конденсатора) ток опережает напряжение на 90°.

Рис. 2.1. Сдвиг фазы между током и напряжением на емкости

Какое электрическое сопротивление имеет катушка индуктивности?

Для постоянного тока идеальная индуктивность обладает нулевым сопротивлением R = 0. Для переменного тока с частотой f индуктивное сопротивление выражается зависимостью X_L = 2πfL или X_L = ωL, т. е. индуктивное сопротивление с ростом частоты увеличивается.

Фазовый сдвиг, вызываемый индуктивностью, таков, что напряжение опережает ток на 90° (рис. 2.2).

Рис. 2.2. Сдвиг фазы между током и напряжением на индуктивности

Из каких элементов состоят электрические цепи?

Элементы электронных схем можно разделить на две группы: активные и пассивные. Активными называют такие элементы, которые могут увеличивать энергию подводимого сигнала (транзисторы и лампы). Пассивные элементы не дают увеличения мощности. К ним относятся резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности, трансформаторы, диоды[4]4
  Исключение составляют туннельные диоды, которые относятся к активным элементам.


[Закрыть], переключатели и т. п.

Резистор как элемент схемы

Резистор – элемент схемы, вносящий в цепь определенное постоянное или переменное (регулируемое) сопротивление. Элементы с постоянным сопротивлением чаще всего изготавливают в виде проволочных и пленочных резисторов. Проволочные резисторы выполняют путем навивки провода с высоким сопротивлением на керамический корпус, а пленочные – посредством напыления соответствующих металлических сплавов на керамические столбики (цилиндрики) или трубки. Резистор (рис. 2.3) характеризуют в основном следующие параметры: сопротивление и его допуск; допустимая мощность (рассеяния).

Рис. 2.3. Графическое изображение постоянного (а) и переменного (б) резисторов

Основной единицей сопротивления является ом (Ом]. Часто используется в тысячу раз большая единица, называемая килоомом [кОм] и в миллион раз большая – мегом [МОм]. В электронике используют резисторы с сопротивлениями от нескольких ом до нескольких десятков мегом.

В СССР и ПНР в крупносерийном производстве находятся резисторы с допусками на номинальное значение ±30, ±20, ±10, ±5 % и менее. Для каждого допуска существует подобранный ряд номинальных сопротивлений. Так, для допуска ± 20 % выпускают резисторы с сопротивлениями 10, 15, 22, 33, 47, 68 Ом и сопротивлениями, полученными путем умножения этих номиналов на 0,1, 10, 100, 1000 и более. Для допусков ± 10 % ряд номинальных сопротивлений в 2 раза больше.

Аналогично стандартизованы номинальные значения максимально допустимой мощности резисторов, связанные с допустимой рабочей температурой. Различают резисторы, для которых максимальная выделяющаяся мощность при температуре окружающей среды 20 °C может иметь значения: 0,125, 0,25, 0,5, 1, 2, 3 Вт и более. Выделяющаяся мощность в резисторе, работающем в цепи, рассматривается обычно по току, протекающему в ней (Р = I²R). В случае, если в цепи течет только переменный ток, учитывается его действующее значение, а при протекании постоянного и переменного тока значение тока, требующееся для определения мощности, выделяемой в резисторе в виде тепла, определяют с учетом постоянной составляющей тока и действующего значения переменной составляющей[5]5
  Результирующий ток определяется зависимостью


[Закрыть]. Допустимое значение тока при определенной мощности резистора при заданной температуре окружающей среды можно рассчитать по закону Ома.

Помимо резисторов с постоянным сопротивлением существуют переменные или регулируемые резисторы (потенциометры). Они допускают плавную регулировку сопротивления путем вращения оси, связанном с движком, скользящим по поверхности, покрытой резистивным слоем. Изменения сопротивления в зависимости от угла поворота могут происходить по линейному, логарифмическому или экспоненциальному закону. Переменные, так же как и постоянные, резисторы могут быть выполнены проволочными или пленочными.

Реальные резисторы помимо чисто активного сопротивления обладают также некоторой собственной емкостью и индуктивностью, которые образуют паразитные реактивности. Особенно это относится к проволочным элементам. Во многих случаях применения существование реактивностей крайне нежелательно.

Определение результирующего сопротивления при последовательном и параллельном соединении резисторов поясняется на рис. 2.4.

Рис. 2.4. Определение результирующего сопротивления при последовательном (а) и параллельном (б) соединении резисторов

Что можно сказать о конденсаторе как элементе цепи?

Конденсатор – это элемент, вносящий в цепь определенную постоянную или регулируемую емкость. Он состоит из двух проводящих обкладок, изолированных одна от другой диэлектриком.

В зависимости от конструкции и вида диэлектрика различают конденсаторы с воздушным зазором, бумажные, полистироловые, керамические, электролитические и т. п. Они имеют разные свойства и габаритные размеры, разное назначение и области применения. Конденсаторы (рис. 2.5) характеризуются в основном следующими параметрами: емкость и ее допуск, рабочее напряжение диапазон рабочих температур и температурный коэффициент емкости, потери и добротность.

Рис. 2.5. Графическое изображение постоянного (а), электролитического (б), переменного (в) и подстроечного (г) конденсаторов

Основная единица емкости – фарада [Ф]. Это очень большая емкость, и поэтому на практике обычно используют значительно меньшие единицы: 10^-12 Ф, 1 пФ – пикофарада, 10^-9 Ф – 1 нФ – нанофарада, 10^-6 Ф, 1 мкФ – микрофарада.

В электронике применяют элементы с емкостями от нескольких пикофарад до нескольких тысяч микрофарад. Емкость конденсатора возрастает при увеличении площади обкладок и убывает при увеличении расстояния между ними. Увеличение площади обкладок приводит к свернутой или многослойной конструкции конденсатора.

При производстве конденсаторов применяются такие же допуски и ряды номинальных значений емкости, как для резисторов. Для электролитических конденсаторов используется укороченный ряд значений.

Конструкция конденсатора ограничивает рабочее напряжение поскольку при очень большом напряжении происходит пробой диэлектрика и конденсатор выходит из строя. Интервал рабочих напряжений конденсаторов обусловлен их назначением и конструкцией.

Так, электролитические конденсаторы с емкостью порядка сотен микрофарад, используемые в цепях питания постоянного тока, предназначены для работы при напряжениях в несколько десятков или даже сотен вольт.

Диапазон рабочих температур конденсатора зависит прежде всего от вида его диэлектрика. Изменение температуры влияет также на емкость конденсатора. Это очень важно, и поэтому выбор конденсатора часто определяется температурным коэффициентом емкости, который в зависимости от используемых материалов и технологий может иметь положительное или отрицательное значение. В цепях, где важен «результирующий» температурный коэффициент, температурный коэффициент конденсатора выбирается таким, чтобы изменения емкости в функции температуры компенсировали изменения индуктивности; благодаря этой компенсации сопротивление цепи RLC остается постоянным.

Помимо емкости конденсаторы обладают некоторой собственной индуктивностью и активным сопротивлением. Наличие последнего вызывает потери, связанные с преобразованием электрической энергии в тепловую. Потери энергии в конденсаторе характеризуются тангенсом угла диэлектрических потерь tg δ; величина, обратная этому коэффициенту, называется добротностью конденсатора.

Во многих применениях добротность является решающим фактором при выборе типа конденсатора. Помимо конденсаторов с постоянной емкостью существуют переменные (регулируемые) конденсаторы с плавной регулировкой емкости, обычно до нескольких десятков или сотен пикофарад. Они служат главным образом для перестройки резонансных контуров.

Определение результирующей емкости при последовательном и параллельном соединении конденсаторов поясняется на рис. 2.6.

Рис. 2.6. Определение результирующей емкости при последовательном (а) и параллельном (б) соединении конденсаторов

Как рассчитывается реактивное сопротивление конденсатора?

Реактивное сопротивление конденсатора определяется по формуле

Х_с = 1/2πfС.

Если емкость выражается в фарадах, а частота в герцах, то реактивное сопротивление получается в омах. Результат в омах получается также при подстановке емкости в микрофарадах и частоты в мегагерцах. Для других единиц необходим пересчет. Например, для С = 100 нФ и f = 100 кГц следует его произвести по формуле

Х_с = 1/6,28·(10²·10³)·(10²·10^-9) = 1/6.28·10^-2 ~= 16 Ом.

Как маркируются резисторы и конденсаторы?

Существует два способа маркировки или обозначения на резисторах и конденсаторах их значений и допусков. Один из них – цветовой, второй – буквенно-цифровой.

В цветовом коде (табл. 2.4) используются четыре цветные полоски или точки. Цвета первой и второй полосок определяют первую и вторую цифры, а цвет третьей полоски – коэффициент кратности для величины, выраженной в омах или пикофарадах. Последняя полоска или точка определяет своим цветом допуск на эту величину.

На рис. 2.7 приведен пример обозначения резисторов.

Рис. 2.7. Пример цветового обозначения резистора с сопротивлением 22кОм±10 %

_{1 – оранжевый (коэффициент кратности 10³; 2 – серебряный (допуск ±10 %); 3 – красный (вторая цифра) – 2; 4 – красный (первая цифра) – 2}

В буквенно-цифровом коде обозначения кратности используются буквы. Для резисторов применяют следующие обозначения кратности: 1 – буква R, 10³ – К, 10⁶ – M, а для конденсаторов; 10^-12 — р, 10^-9 – n, 10^-6 – μ. Буквы занимают место запятой десятичного знака в номинальном значении. Например, 5,9 Ом – обозначение 5R9, 59 Ом – 59R, 1,5 кОм – 1К5, 59 кОм —59К, 1,5 МОм – 1М5, а также 1,5 пФ – 1р5, 33,2 пФ – 33р2.

_{Буквенно-цифровая маркировка резисторов и конденсаторов в СССР состоит из последовательно расположенных цифр, указывающих номинальное сопротивление (емкость), буквы, обозначающей единицу измерения (кратность) сопротивления при емкости и показывающей положение запятой десятичной дроби, и буквы, обозначающей допустимое отклонение от номинального значения. Для резисторов приняты следующие обозначения кратности номинального сопротивления: Е – омы, К – килоомы, М – мегомы, Г – гигаомы, Т – тераомы, а для номинальной емкости: П – пикофарады, Н – нанофарады, М – микрофарады. Кодированные обозначения допускаемого отклонения сопротивления и емкости приведены в табл. 2.5. Например, резисторы с сопротивлением 68 Ом и 1,5 кОм и допустимым отклонением ±2 % имеют соответственно маркировку 68ЕЛ и 1К5Л, а емкость 1,5 мкф с допустимым отклонением ±20 % сокращение обозначается 1М5В. – Прим. ред.}