Схемотехника аналоговых устройств (стр. 5 )

Рис. 2.1. К частотному анализу емкостной схемы

Из формул (1) и (2) следует:

,

где .

Таким образом, ток опережает напряжение на 90°, а – величина сопротивления емкости.

2.1.2. Индуктивная схема

Индуктивность подключена к источнику тока I(t): , . Следовательно, , где . Таким образом, напряжение опережает ток на 90°, а – величина сопротивления индуктивности.

Рис. 2.2. К частотному анализу индуктивной схемы

2.1.3. Мощность в реактивных схемах

Для рассматриваемого случая средняя мощность за период равна , где ; . Из нижеприведенных графиков следует, что на участках А и С потребляемая мощность имеет положительный знак, а на участках В и D – отрицательный. Таким образом, средняя мощность за период равна 0.

Рис. 2.3. К оценке средней мощности в реактивной схеме

На практике схемы могут содержать как реактивные, так и резистивные компоненты и характеризуются коэффициентом мощности . При К = 0 схема является чисто реактивной, при К = 1 – чисто резистивной.

2.1.4. Обобщенный закон Ома

Используя понятие полного сопротивления (импеданса), а также комплексного представления тока и напряжения, обобщенный закон Ома записывают в следующем виде: , где – комплексные амплитуды тока и напряжения, Z – полное сопротивление, содержащее резистивную (действительную часть комплексного числа) и реактивную (мнимую часть комплексного числа) составляющие. Для RL-цепи , для RC-цепи .

Модуль полного сопротивления может быть представлен на векторной диаграмме, где . Переход от комплексных значений к модулям амплитуд производят по формулам , , где – комплексно-сопряженные (имеющие противоположный знак мнимой части) значения тока и напряжения.

Рис. 2.4. Векторная диаграмма для полного сопротивления

2.1.5. Примеры использования обобщенного закона Ома

Фильтр высоких частот (ФВЧ)

Так как для RC-фильтра высоких частот , то . Переходя к модулям амплитуд, получим . Таким образом, коэффициент передачи ФВЧ: .

Построим АЧХ ФВЧ. При , а при . При и, соответственно, имеем .

а б

Рис. 2.5. Схема RC-фильтра высоких частот (а) и его АЧХ (б)

Фильтр низких частот (ФНЧ)

Так как для RC-фильтра низких частот , то . Таким образом, коэффициент передачи ФНЧ .

Построим АЧХ ФНЧ. При , а при . При и, соответственно, имеем .

Аналогичным образом можно получить коэффициенты передачи фильтров, рассматривая и переходя к .

а б

Рис. 2.6. Схема RC-фильтра низких частот (а) и его АЧХ (б)

2.2. Диоды и диодные схемы

Диод является пассивным нелинейным элементом. Представляет собой
р-n-переход, обладающий односторонней проводимостью. Характеризуется прямым током, обусловленным рекомбинацией основных носителей на границе р-n-перехода, и обратным током, обусловленным неосновными носителями. Напряжение, достаточное для открывания диода, составляет 0,6–0,7 В. Нелинейность зависимости тока и напряжения не позволяет использовать закон Ома для диодов. Пример ВАХ полупроводникового диода представлен ниже.

p

n

n

p

а б

Рис. 2.7. Полупроводниковый диод (а) и его ВАХ (б)

2.2.1. Выпрямление

Выпрямитель преобразует переменный ток в постоянный. Существует несколько схем для выпрямления.

Однополупериодная схема

В однополупериодной схеме используется один полупроводниковый диод, который пропускает только одну полуволну переменного напряжения. Для сглаживания пульсаций используют RC-фильтр с . Недостатком этой схемы является низкий КПД.

а б

Рис. 2.8. Однополупериодная схема выпрямителя (а) и временные диаграммы ее работы (б)

Мостовая двухполупериодная схема

Данная схема имеет повышенный КПД, так как используются обе полуволны входного напряжения.

а б

Рис. 2.9. Двухполупериодная схема выпрямителя (а) и временные диаграммы ее работы (б)

Схема для получения двухполярного питания

В данной схеме используется емкостный делитель напряжения.

C2

C1

Рис. 2.10. Схема выпрямителя с двухполярным выходным напряжением

2.2.2. Умножители напряжения

Умножитель напряжения формирует на выходе постоянное напряжение из переменного входного напряжения. Его работа основана на заряде и разряде конденсаторов через диоды. Существует ряд схем умножения. Рассмотрим принцип работы некоторых из них.

Схема удвоения напряжения

Сущность работы схемы заключается в следующем. Во время положительной полуволны напряжения U2 через открывающийся в это время диод VD1 конденсатор С1 заряжается током i1 до величины UC1 = U2. Во время отрицательной полуволны напряжения U2 конденсатор С1 разряжается через открывающийся в это время диод VD2, а конденсатор С2 заряжается током i2 до величины UC2 = UВЫХ = U2 + UC1 = 2U2. При этом необходимо, чтобы для постоянной времени разряда конденсаторов, зависящей от их емкости и от RH, выполнялось условие .