Как найти амплитудное напряжение

Как найти амплитуду выходного напряжения

При использовании ветрогенераторов в качестве источника энергии необходимо иметь промежуточный накопитель энергии. Как правило, для этого используется аккумуляторная батарея с довольно низким выходным постоянным напряжением – 12 или 24 В . В то же время большинство потребительских нагрузок рассчитаны на подключение к сетям переменного тока напряжением 110 – 380 В частотой 45 – 65 Гц . Поэтому требуется преобразователь постоянного напряжения аккумуляторной батареи ( наиболее распространены автомобильные аккумуляторы напряжением 12 В) в переменное напряжение ( чаще всего 220 В 50 Гц) [1, 2].

Нагрузки, подключаемые в сеть переменного тока, могут не иметь блока питания и иметь индуктивный характер (вибрационный насос, электромагнит, электродвигатель ) или резистивный характер (лампа накаливания, нагревательный прибор ).

При наличии блока питания он может быть трансформаторным или бестрансформаторного типа.

Синусоидальная форма выходного сигнала преобразователя при малом коэффициенте гармоник соответствует паспортным требованиям нагрузок, подключаемых в сеть переменного тока , в частности, по соотношению амплитудного и действующего значений напряжения . Однако преобразователь с синусоидальной формой выходного сигнала сложен в конструировании и изготовлении. Желательно упростить преобразователь за счет использования других форм выходного сигнала, поняв условия, при которых такой преобразователь может использоваться для возможно большего количества типов нагрузок.

Форма выходного сигнала наиболее просто реализуемых преобразователей может быть прямоугольной, прямоугольной с паузой, трапецеидальной .

При этом возникает проблема выбора параметров сигнала, в частности, амплитудного значения напряжения. Для нагрузок с бестрансформаторным блоком питания , построенном по схеме выпрямитель-фильтр-преобразователь, максимальное амплитудное значение любого сигнала независимо от его формы может составлять 310 В, причем, как правило, это значение может быть существенно уменьшено .

Для нагрузок резистивного типа (ламп накаливания), рассчитанных на синусоидальное напряжение с действующим значением 220 В, амплитудное напряжение 310 В для сигнала прямоугольной формы без паузы является чрезмерным ( действующее значение сигнала прямоугольной формы равно его амплитудному значению, в данном случае 310 В), и его необходимо уменьшить .

Рассмотрим случай трансформаторного блока питания . Полоса пропускания трансформаторов по частоте весьма широкая (до тысяч герц), поэтому напряжение на выходе трансформатора будет иметь прямоугольную форму. Так как стоящие дальше по схеме стабилизаторы рассчитаны на использование переменного напряжения с амплитудным значением (приведенным ко входу) 310 В, то применение прямоугольного напряжения с амплитудным значением 310 В будет перегружать трансформатор, а при меньших значениях амплитуды ухудшатся условия работы стабилизаторов.

Величину действующего напряжения для периодического сигнала U_d = U(t) с периодом T и круговой частотой w = 2 p /T можно рассчитать по формуле:

Для синусоидального сигнала с периодом T, круговой частотой w = 2 p /T и амплитудным значением U :

Для прямоугольного сигнала с периодом T, круговой частотой w = 2 p /T и амплитудным значением U :

Для прямоугольного сигнала с паузой ( период T , круговая частота w = 2 p /T, длительность импульса положительной и отрицательной полярности t , длительность паузы T/2 – t ) с амплитудным значением U :

Для такого сигнала соотношение (2) достигается при t = T/4 , т. е. длительность импульса с положительной полярностью и длительность импульса с отрицательной полярностью t должна быть равна половине полупериода, а длительность паузы должна быть равна длительности импульса t . При этом действующее значение напряжения U_d будет равно действующему значению напряжения синусоидального сигнала с такой же амплитудой.

Для трапецеидального сигнала с периодом T, круговой частотой w = 2 p /T и амплитудным значением U :

Здесь t – длительность вершины импульса.

При t = T/8 ( четвертой части полупериода) действующее значение напряжения U_d будет таким же, как для случая синусоидального сигнала с такой же амплитудой U :

Принимая в качестве критерия соотношение для амплитудного и действующего значения выходного напряжения преобразователя как для случая синусоидального сигнала (2)

можно сделать вывод, что приемлемой формой выходного сигнала преобразователя является прямоугольная с паузой, когда длительность как отрицательного, так и положительного импульса равна длительности паузы (половина полупериода), или трапецеидальная, когда длительность плоской вершины импульса составляет четвертую часть полупериода . Выходной сигнал трапецеидальной формы предпочтительнее, так как коэффициент гармоник для него меньше.

Таким образом, возможно конструирование преобразователя с выходным сигналом трапецеидальной формы частотой 50 Гц, у которого длительность плоской вершины импульса составляет четвертую часть полупериода. Амплитуда выходного напряжения должна быть около 310 В. Действующее значение напряжения при этом будет равно 220 В. Такой преобразователь подходит по своим параметрам для большинства применяемых типов нагрузок.

• Амплитуда — максимальное абсолютное значение.
• Электрическое напряжение — разность электрических потенциалов в соответствующих точках.

11.12.2003
12.01.2006
17.04.2006
17.06.2010

2. Определение комплексной амплитуды выходного напряжения

Обозначить сопротивления элементов схемы в общем виде как R_H; jX_L; -jX_C вывести формулу для комплексной амплитуды напряжения на нагрузке U_2m через комплексную амплитуду входного напряжения U_1m. Полученное выражение записать, пригодном для каждой гармоники.

Расчетная схема представлена на рис. 3.

Составим уравнение на основании закона Кирхгофа для напряжений контура :

(3) , где (4)

Ток (5)

Подставим полученное выражение для тока в уравнение (4). После чего решим уравнение (3) относительно напряжения .

В результате получим: (6)

Полученное выражение запишем в виде, пригодном для гармоники любого порядка. При этом учтём, что X_L ( k ) =kL; X_C ( k ) =1/kC:

(7)

Подставив числовые значения параметров, получим:

3. РАСЧЕТ КОМПЛЕКСНЫХ АМПЛИТУД НАПРЯЖЕНИЯ

Используя полученное выражение (7), определить комплексную амплитуду напряжения на выходе (на нагрузке) для постоянной составляющей и гармонических составляющих 1 и 3 порядка.

3.2. Определение комплексных амплитуд напряжения

Расчетная схема для постоянной составляющей и гармоник первого и третьего порядка входного напряжения приведена на рис. 4.

Рис. 4. . Расчетная схема для 0,1 и 3 гармоник

3.2.1. Расчет постоянной составляющей (нулевой гармоники) напряжения на нагрузке.

Расчетная схема приведена на рис. 5.

Рис. 5. Расчетная схема для нулевой гармоники напряжения на нагрузке

Так как при k=0 X_C=, а X_L=0, то ветви с емкостями необходимо разомкнуть , а ветвь с индуктивностью – замкнуть. В этом случае из схемы на рис. 5 следует: U₂ (0) =U₁ (0) . Тот же результат получается и при подстановке значений U₁ (0) и k = 0 в формулу (7).

Исходя из (2) , U₁ (0) =U_m/2=19,15 (B) и k=0. Тогда:

3.2.2. Расчет комплексной амплитуды первой гармоники напряжения на нагрузке

Читайте также: Какое нормальное напряжение возникает в растянутом стержне

Расчетная схема приведена на рис. 6.

Рис. 6. Расчетная схема для первой гармоники напряжения на нагрузке

Исходя из (2),U_1m (1) =2U_m/=24,38 (B) и k=1. Тогда:

3.2.3. Расчет комплексной амплитуды третьей гармоники напряжения на нагрузке.

Расчетная схема приведена на рис. 7.

Рис. 7. Расчетная схема для третьей гармоники напряжения.

Исходя из (2), U_1m (3) =2U_m/3=8,128 (B) и k=3. Тогда:

4. РАСЧЕТ НАПРЯЖЕНИЯ НА НАГРУЗКЕ

Записать мгновенное значение напряжения на нагрузке в виде ряда Фурье.

4.2. Разложение напряжения на нагрузке в ряд Фурье

Запишем выражения для мгновенных значений напряжения u₂(t), воспользовавшись найденными комплексными амплитудами для 0,1 и 3 гармоник:

Мгновенное значение напряжения на нагрузке в виде ряда Фурье:

5. Построение линейчатых спектров напряжений

Построить друг под другом линейчатые спектры входного u₁ и выходного u₂ напряжений.

Тут вы можете оставить комментарий к выбранному абзацу или сообщить об ошибке.

Основные параметры усилителя

Каждый электронщик должен знать основные параметры усилителя, так как усилитель в электронике используется абсолютно везде. В этой статье мы рассмотрим самые важные параметры усилителей.

Входное и выходное сопротивление

Кто в первый раз сталкивается с этими понятиями, читайте эту статью. Кому лень читать, вкратце объясню здесь из прошлой статьи. Каждый усилительный каскад имеем свое входное и выходное сопротивление. На схеме R_вх и R_вых

Входное сопротивление усилителя находится по формуле R_вх =U_вх / I_вх . Думаю, здесь вопросов возникать не должно. Эта формула справедлива как для постоянного тока, так и для переменного. В случае с постоянным током — это у нас будет усилитель постоянного тока (УПТ).

Немного иначе обстоят дела с выходным сопротивлением. В теории, можно замкнуть выходные клеммы 3 и 4 накоротко. В этом случае во выходной цепи усилителя у нас появится ток короткого замыкания I_кз

Ну и по закону Ома нетрудно догадаться, что R_вых = E_вых / I_{кз .} Но как же найти Е_вых ? Достаточно разомкнуть цепь и просто и замерить напряжение мультиметром. Это и будет E_вых. Физический смысл очень простой. Так как вольтметр обладает очень высоким входным сопротивлением, то в цепи у нас почти не будет течь ток, так как по закону Ома I=U/R. А если сопротивление нагрузки бесконечно большое, то, следовательно, I_кз будет бесконечно малое.

В этом случае этим бесконечно маленьким током можно пренебречь и считать, что в цепи нет никакой силы тока. А раз сила тока равна нулю, то и падение напряжения на R_вых также будет равняться нулю или формулой: U_Rвых = IR_вых = 0 Вольт. Следовательно, на клеммах 3 и 4 мы будем замерять E_вых .

Выходное сопротивление усилителя можно найти двумя способами: теоретическим и практическим. Теоретический способ, часто сложен, поскольку неизвестны многие параметры «черного ящика», называемого усилителем. Проще определить выходное сопротивление практическим путем.

Как найти выходное сопротивление на практике

Если вы не забыли, мультиметр в этом случае нам покажет ЭДС E_вых , т. е. в данном случае E_вых = U_вых . (Что такое ЭДС).

Номинал нагрузочного сопротивления должен выбираться исходя из допустимого тока и мощности усилителя.

Выходная мощность усилителя 10 Вт, допустимое выходное напряжение (эффективное) 100 В. В этом случае, резистор нагрузки должен иметь сопротивление не менее R=U 2 /P = 10000/10 = 1 кОм. Мощность резистора: P_R = U 2 /R = 10000/1000 = 10 Вт

Какой же физический смысл этого опыта? В результате этих шагов, у нас цепь станет замкнутой, а два сопротивления, R_вых и R_н , образуют делитель напряжения. Сюда же можно приписать закон Ома для полной цепи, который выражается формулой:

R — сопротивление нагрузки, Ом

r — внутреннее сопротивление источника ЭДС, Ом

Применительно к нашей ситуации, формула будет иметь такой вид:

Или словами, ЭДС равняется сумме падений напряжения на каждом сопротивлении.

Как вы могли заметить, падение напряжения на сопротивлении R_вых зависит от силы тока в цепи. Чем больше сила тока в цепи, тем больше падение напряжения на выходном сопротивлении R_вых . Но от чего же зависит сила тока в цепи? От нагрузки R_н ! Чем она меньше, тем больше сила I_вых в цепи, тем больше будет падение напряжения на R_вых , а значит, падение напряжения на U_Rн будет меньше.

Теперь, зная этот принцип, можно косвенно вычислить выходное сопротивление R_вых .

Шаг номер 3: Замеряем напряжение на нагрузке U_Rн. Вспоминаем формулу выше:

Далее что нам требуется — это увеличивать входное напряжение и снимать выходное напряжение — так мы увидим всю нелинейность выходной характеристики от тока и сможем замерить выходное сопротивление в диапазоне нагрузок, так как большинство усилителей мощности имеют нелинейность выходного сопротивления от допустимого тока нагрузки.

Коэффициент усиления

Про коэффициенты усиления мы писали еще в прошлой статье.

Рабочий диапазон частот

Рабочий диапазон — это диапазон частот, где коэффициент усиления изменяется в допустимых пределах, заданных в технических условиях на усилитель. Для этого надо построить АЧХ усилителя. Обычно этот предел устанавливается на уровне -3 децибел. Почему именно -3 дБ? В свое время так было удобнее учитывать передаваемую энергию. В полосе — 3 дБ передается 50% мощности сигнала.

Но иногда требуется незначительное изменение коэффициента усиления. Например, в -1 дБ. В этом случае рабочий диапазон частот усилителя будет меньше:

Собственные шумы усилителя.

В электронике шумом называют беспорядочные колебания амплитуды сигнала, которые глушат полезный сигнал. Сюда же относятся разного рода помехи. Собственные шумы усилителя — это шумы, которые зарождаются как внутри самого усилителя, так и могут быть вызваны внешним источником помех, либо некачественным питанием усилителя. Давайте рассмотрим основные виды шумов усилителя.

Этот шум вызван некачественным питанием усилителя. Если источник питания собран на сетевом трансформаторе, то шум будет на частоте 100 Гц (2х50Гц, по схеме диодного моста). То есть на выходе такого усилителя мы услышим гудение, если подцепим к выходу динамик. Думаю, вы часто слышали такое выражение «что-то динамики фонят». Это все из этой серии.

Помехи и наводки

Это могут быть внешние источники, которые так или иначе действуют на усилитель. Это может быть наводка от сети 220 Вольт (очень часто ее можно увидеть, если просто прикоснуться к сигнальному щупу осциллографа), это также может быть какая-либо искра, которая образуется в свечах двигателей внутреннего сгорания.

Читайте также: Автономный инвентор напряжения это

Небольшое лирическое отступление. Помню, как смотрел диснеевские мультики по первому каналу, а через дорогу сосед пилил дрова с помощью бензопилы Дружба-2. Тогда на экране ТВ были такие помехи, что я про себя тихо материл соседа.

Ну а как же без грозовых разрядов? Благодаря электромагнитному импульсу у нас появилось такое изобретение, как радио.

К источникам помех можно также отнести радио- и ТВ-станции, рядом лежащее и стоящее электрооборудование, типа мощных коммутационных механических ключей, разрядников и тд.

Ну и конечно, это шум самих радиоэлементов. Сюда относится тепловой шум (джонсоновский), дробовой шум, а также фликкер-шум.

Наиболее существенными являются шумы, которые возникают на входе усилителя в самом первом каскаде. Этот шум в дальнейшем усиливается также, как и входной полезный сигнал. В результате на выходе усилителя у нас будет усилен как полезный сигнал, так и шумовой. Поэтому, при проектировании качественных усилителей стараются как можно сильнее минимизировать шум на входе первого каскада усилителя.

Отношение сигнал/шум

Пусть у вас дома стоит телевизор, который ловит аналоговое вещание. На экране телевизора мы видим четкую картинку:

Но вдруг антенна на крыше вашего дома из-за сильного ветра чуток отклонилась в сторону и изображение ухудшилось

Потом антенна вообще упала с крыши, и на телевизоре мы видим теперь что-то типа этого

В каком случае отношение сигнал/шум будет больше, а в каком меньше? На первой картинке, где четкое изображение, отношение сигнала к шуму будет очень большое, так как не первой картинке мы простым взглядом не можем уловить каких-либо помех на изображении, хотя по идее они есть).

На второй картинке мы видим, что в изображении появились помехи, которые делают некомфортным просмотр картинки. Здесь отношение сигнала к шуму уже будет намного меньше, чем на первой картинке.

Ну и на третьей картинке шумы почти полностью одолели изображение. В этом случае можно сказать , что отношение сигнала к шуму будет ну очень малым.

Отношение сигнал/шум является количественной безразмерной величиной.

В аналоговой электронике для нормальной работы усилителя полезный сигнал должен в несколько раз превышать шумы, иначе это сильно скажется на качестве усиления, так как полезный сигнал суммируется с шумовым.

Отношение сигнал/шум в англоязычной литературе обозначается как SNR или S/N.

Так как порой это отношение достигает очень больших значений в цифрах, поэтому чаще всего его выражают в децибелах:

U_cигнал — среднеквадратичное значение полезного сигнала, В

U_шум — среднеквадратичное значение шумового сигнала, В

P_сигнал — мощность сигнала

То есть в нашем случае с котиком на первой картинке амплитуда полезного видеосигнала в разы превосходила амплитуду шума, поэтому первая картинка была четкой. На третьей картинке амплитуда полезного видеосигнала почти была равна амплитуде шума, поэтому картинка получилась очень зашумленной.

Еще один пример. Вот синусоидальный сигнал с SNR=10:

А вот тот же самый синус с SNR=3

Как вы могли заметить, сигнал с SNR=10 намного «чище», чем с SNR=3.

SNR чаще всего можно увидеть при описании характеристик усилителя звука. Чем выше SNR, тем лучше по качеству звучания будет усилитель. Для HI-FI систем звучания этот показатель должен быть от 90 дБ и выше. Для телефонных разговоров вполне достаточно и 30 дБ.

На практике SNR измеряется на выходе усилителя с помощью милливольтметра с trueRMS, либо с помощью анализатора спектра.

Амплитудная характеристика

Амплитудная характеристика усилителя — это зависимость амплитуды сигнала на выходе от входного сигнала при фиксированной частоте. Обычно она составляет 1 кГц.

Амплитудная характеристика идеального усилителя по идее должна выглядеть вот так:

Это луч, который начинается от нулевой точки отсчета координат и простирается в бесконечность.

Но на самом деле реальная амплитудная характеристика усилителя выглядит вот так:

Здесь мы видим, что если даже входное напряжение U_вх =0, то на выходе усилителя мы все равно получим какой-то уровень сигнала. Это будет напряжение шума U_ш .

Динамический диапазон усилителя

Динамический диапазон — это отношение максимально допустимого уровня выходного сигнала к его минимальному уровню, при котором обеспечивается заданное отношение сигнал/шум:

Чтобы понять концовку определения «обеспечивается заданное отношение сигнал/шум» динамического диапазона, давайте рассмотрим наш рисунок:

Допустим, наш усилитель должен иметь SNR=90 дБ. Будет ли правильно, если мы возьмем U_{вых мин} за U_шум?

Конечно же нет! В этом случае в этой точке на графике амплитуды сигнала и шума будут равны, а следовательно, по формуле

Непорядок. Значит, надо взять такое значение U_вых , при котором бы соблюдалось равенство

Допустим, что U_шум =1 мкВ, подставляем в формулу

Из этого уравнения находим U_вых . Это будет как раз являться U_{вых. мин.} для формулы:

при SNR=90. В нашем случае это будет точка А.

U_{вых макс} берем в точке B, так как в этом случае это максимальное значение, при котором у нас в усилителе не возникают нелинейные искажения (о них чуть ниже).

Рабочая область усилителя будет обеспечиваться на отрезке АВ. В этом случае у нас будут минимальные искажения в сигнале, так как эта область линейная. Отношение максимально допустимого выходного сигнала к уровню шума — это предельный уровень динамического диапазона для аналогового усилителя.

Для усилителей звука выход за пределы этой рабочей области в большую сторону будет чреват нелинейными искажениями, а в меньшую — полезный сигнал задавят помехи. Да вы и сами, наверное замечали, что выкрутив на полную катушку ручку громкости дешевой китайской магнитолы, у нас качество звучания оставляло желать лучшего, так как в дело «вклинивались» нелинейные искажения.

Коэффициент полезного действия (КПД)

КПД представляет из себя отношение мощности на нагрузке усилителя к мощности, которая потребляется усилителем от источника питания

P_вых — это мощность на нагрузке, Вт

P_и.п. — мощность, потребляемая источником питания, Вт

Искажения, вносимые усилителем

Искажения определяют сравнением формы сигнала на входе и на выходе. Идеальным является усилитель, который в точности повторяет форму сигнала, поданного на вход. Но так как наш мир не идеален, и радиоэлементы тоже не идеальны, то и на выходе у нас сигнал будет всегда немного искаженный. Главное, чтобы эти искажения не были столь критичны.

Читайте также: Как установить 3 уровневый регулятор напряжения

В основном искажения делятся на 4 группы:

Частотные искажения

Частотные искажения возникают вследствие того, что коэффициент усиления во всем диапазоне частот не одинаковый. Или простыми словами, какие-то частоты усиливаются хорошо, а какие-то плохо). Чтобы в этом разобраться, достаточно посмотреть на АЧХ усилителя.

В данном случае мы можем увидеть, что низкие и высокие частоты будут усиливаться меньше, чем средние частоты. А так как сложный сигнал состоит из множества частотных составляющих, вследствие этого и возникнут частотные искажения.

Фазовые искажения

Фазовые искажения возникают из-за того, что разные частоты с разной задержкой по времени появляются на выходе усилителя. Какие-то частоты запаздывают больше, а какие-то меньше. Давайте все это рассмотрим на примере двух картинок.

Допустим, мы «загоняем» на вход синусоидальный сигнал с низкой частотой и на выходе получаем уже усиленный сигнал, но немного с небольшой задержкой.

Но также не забывайте, что катушки и конденсаторы являются частото-зависимыми радиоэлементами. Их реактивное сопротивление зависит от частоты сигнала, поэтому, прогоняя через усилитель сигнал с другой частотой, мы получим уже совсем другую задержку сигнала

То есть в нашем случае t₁ ≠ t₂ . Хорошо это или плохо? Если мы будем усиливать синусоиду, то в принципе нам по барабану. Какая разница раньше он появится на выходе или позже? Главное то, что сигнал будет усиленный.

Все бы ничего, но стоит помнить, что сложные сигналы состоят из суммы множества синусоид различных частот и амплитуд.

Чтобы понять, что такое сумма сигналов, достаточно рассмотреть вот такие примеры:

ну и еще один, мне не жалко)

Складываем амплитуды в одинаковые моменты времени и получаем сумму этих двух сигналов.

А вот так из разных синусоид разных частот складывается прямоугольный сигнал:

В данном случае мы пытаемся «собрать» прямоугольный сигнал из суммы синусоид разных амплитуд и частот.

Но так как у нас усилитель задерживает разные сигналы по частоте по-разному, то у нас между сигналами происходит разнобой. Лучше всего это объяснит рисунок ниже. Имеем два синусоидальных сигнала с разной частотой и амплитудой:

Если их сложить, получим сложный сигнал:

Но что будет, если второй сигнал сдвинется по фазе относительно первого?

Смотрим теперь сумму этих сигналов:

Абсолютно другой сигнал! Чувствуете разницу? Чуток сдвинули фазу, а форма сигнала уже поменялась.

То есть на выходе усилителя мы хотели получить вот такой усиленный сигнал:

В результате фазовых искажений наш сложный сигнал, состоящий из двух синусоид, поменял форму. На выходе усилителя мы получили совсем другой сигнал. А как вы помните, роль усилителя заключается в том, чтобы усиливать сигнал, сохраняя при этом его форму.

Фазо-частотная характеристика (ФЧХ) усилителя — это график зависимости угла сдвига фаз, вносимого усилителем, от частоты. Выглядеть она может примерно вот так:

φ — это сдвиг фазы относительно входного и выходного сигнала

Человеческое ухо не замечает фазовых искажений, несмотря на то, что даже изменяется форма сигнала. Поэтому при проектировании звуковых усилителей фазовые искажения не принимают во внимание.

Частотные искажения и фазовые искажения относят к линейным искажениям, так как оба вида искажений обусловлены линейными элементами схемы. Если сказать по научному, у нас в спектре сигнала не появляется дополнительных гармоник.

Переходные искажения

Переходным искажением называют искажение прямоугольного импульса, которое подается на вход усилителя. На выходе такой импульс будет иметь уже другую форму, вызванную искажением сигнала внутри самого усилителя.

Для оценки переходных искажений используют переходную характеристику. Она представляет из себя зависимость напряжения или тока на выходе усилителя от времени от подачи на его вход прямоугольного импульса.

На рисунке ниже имеем прямоугольный сигнал, который подаем на вход усилителя, а на выходе усилителя уже будет искаженный усиленный сигнал. Это искажения вызваны, как обычно, с наличием в схеме усилителя реактивных радиоэлементов, то есть тех же самых катушек индуктивности и конденсаторов.

Для оценки переходных искажений используют такие параметры:

U_m — это амплитуда импульса, отсчитывается от плоской вершины импульса, В

ΔU_в — это выброс фронта импульса, В

Следующие два параметра измеряются в диапазоне от 0,1U_m и до 0,9U_m :

t_ф — длительность фронта импульса

t_c — длительность спада импульса

А длительность самого импульса t_и измеряется на уровне 0,5U_m .

Нелинейные искажения

Ну и напоследок мы с вами разберем нелинейные искажения. Нелинейными она называются из-за того, что такие искажения уже меняют форму сигнала, в отличие от линейных искажений. Все дело в том, что электронные лампы и полупроводники имеют нелинейную характеристику. Давайте рассмотрим все это дело более подробно.

Как вы могли заметить, на выходе у нас форма сигнала изменилась. Нашу верхнюю часть синусоиды усиленного сигнала немного «придавило». То есть мы подавали сигнал одной формы, а вышел сигнал совсем другой формы. Это не есть хорошо и с этим надо бороться.

Если сказать более научным радиотехническим языком, в нашем сигнале появились дополнительные гармоники, которых не было в исходном сигнале. В данном случае мы на вход загоняли простой синусоидальный сигнал, состоящий из одной гармоники, а получили на выходе сложный сигнал, состоящий уже из нескольких гармоник.

Для количественной оценки нелинейных искажений используется коэффициент гармонических искажений (КГИ). Он выражается формулой:

Эта величина находится как отношение среднеквадратичного напряжения суммы высших гармоник сигнала, кроме первой, к напряжению первой гармоники при воздействии на вход усилителя синусоидального сигнала.

Также есть и подобный параметр коэффициент нелинейных искажений (КНИ). Он выражается формулой:

Эти два параметра выражаются в процентах. Для малых значений коэффициенты КГИ и КНИ почти совпадают. Так что коэффициент искажений можно считать как по первой, так и по второй формуле.

• Напряжение
• Реле
• Трансформатор

• Что такое рекуперация на электровозе
• Чем отличается электровоз от тепловоза
• Чем глушитель отличается от резонатора
• Стойки стабилизатора как определить неисправность
• Стабилизатор поперечной устойчивости как работает

Как найти амплитудное напряжение в цепи

Переменное напряжение — это напряжение, которое изменяется с течением времени. Далее будем рассматривать только гармоническое переменное напряжение (изменяется по синусоиде).

Где u = u(t) — мгновенное значение переменного напряжения [В].

U_m — максимальное значение напряжения (амплитудное значение) [В].

f — частота равная числу колебаний в 1 секунду (единица частоты f — герц (Гц) или с -1 )

ω — угловая частота (омега) (единица угловой частоты — рад/с или с -1 )

ω = 2πf = 2π/T

Аргумент синуса, т. е. (ωt + Ψ), называют фазой. Фаза характеризует состояние колебания (числовое значение) в данный момент времени t.

U — Действующее значение напряжения [В]:

Рассмотрим параметры напряжения в бытовой электросети.

Все мы знаем, что у нас дома в розетке поступает переменный ток, с напряжением 220 вольт и частотой 50 герц (в идеальных условиях) на самом деле допускается не большая погрешность как в меньшую, так и в большую сторону так, что не удивляйтесь если ваш вольтметр покажет не 220, а например 210 или даже 230 В.).

Большинство приборов измеряет не амплитудное, а действующее значение переменного напряжения, тока, мощности так, что если мы говорим что у нас напряжение сети 220, 380 В и т. д. то имеется виду именно действующие значения.

Параметры переменного напряжения

Как вы помните из предыдущей статьи, переменное напряжение — это напряжение, которое меняется со временем. Оно может меняться с каким-то периодом, а может быть хаотичным. Но не стоит также забывать, что и переменное напряжение обладает своими особенными параметрами.

Среднее значение напряжения

Среднее значение переменного напряжения Uср — это, грубо говоря, площадь под осциллограммой относительно нуля за какой-то промежуток времени. Чтобы это понять, давайте рассмотрим вот такую осциллограмму.

Например,чему равняется среднее значение напряжения за эти два полупериода? В данном случае ноль вольт. Почему так? Площади S1 и S2 равны. Но все дело в том, что площадь S2 берется со знаком «минус». А так как площади равны, то в сумме они дают ноль: S1+(-S2)=S1-S2=0. Для бесконечного по времени синусоидального сигнала среднее значение напряжения также равняется нулю.

То же самое касается и других сигналов, например, двухполярного меандра. Меандр — это прямоугольный сигнал, у которого длительности паузы и импульса равны. В этом случае его среднее напряжение также будет равняться нулю.

Средневыпрямленное значение напряжения

Чаще всего используют средневыпрямленное значение напряжения Uср. выпр. То есть площадь сигнала, которая «пробивает пол» берут не с отрицательным знаком, а с положительным.

средневыпрямленное значение напряжения будет уже равняться не нулю, а S1+S2=2S1=2S2. Здесь мы суммируем площади, независимо от того, с каким они знаком.

На практике средневыпрямленное значение напряжения получить легко, использовав диодный мост. После выпрямления синусоидального сигнала, график будет выглядеть вот так:

Для того, чтобы примерно узнать, чему равняется средневыпрямленное напряжение, достаточно узнать максимальную амплитуду синусоидального сигнала Umax и сосчитать ее по формуле:

Среднеквадратичное значение напряжения

Чаще всего используют среднеквадратичное значение напряжения или его еще по-другому называют действующим. В литературе обозначается просто буквой U. Чтобы его вычислить, тут уже простым графиком не отделаешься. Среднеквадратичное значение — это значение постоянного напряжения, который, проходя через нагрузку (скажем, лампу накаливания), выделяет за тот же промежуток времени такое же количество мощности, какое выделит в этой нагрузке переменное напряжение. В английском языке среднеквадратичное напряжение обозначается так: RMS (rms) — root mean square.

Связь между амплитудным и среднеквадратическим значением устанавливается через коэффициент амплитуды K_a:

Читайте также: Симметричная нагрузка трехфазной цепи соединена треугольником линейное напряжение равно 220в

Вот некоторые значения коэффициента амплитуды K_a для некоторых сигналов переменного напряжения:

Более точные значения 1,41 и 1,73 — это √2 и √3 соответственно.

Как измерить среднеквадратичное значение напряжения

Для правильного замера среднеквадратического значения напряжения у нас должен быть мультиметр с логотипом T-RMS. RMS — как вы уже знаете — это среднеквадратическое значение. А что за буква «T» впереди? Думаю, вы помните, как раньше была мода на одно словечко: «тру». «Она вся такая тру…», «Ты тру или не тру?» и тд. Тру (true) — с англ. правильный, верный.

Так вот, T-RMS расшифровывается как True RMS — «правильное среднеквадратическое значение». Мои токоизмерительные клещи могут замерять этот параметр без труда, так как на них есть логотип «T-RMS».

мультиметр с True RMS

Проведем небольшой опыт. Давайте соберем вот такую схемку:

Выставим на моем китайском генераторе частоты треугольный сигнал с частотой, ну скажем, 100 Герц

генератор частоты

А вот осциллограмма этого сигнала. Внизу, в красной рамке, можно посмотреть его параметры

треугольный сигнал

И теперь вопрос: чему будет равно среднеквадратическое напряжение этого сигнала?

Так как один квадратик у нас равняется 1 Вольт (мы это видим внизу осциллограммы в красной рамке), то получается, что амплитуда Umax этого треугольного сигнала равняется 4 Вольта. Для того, чтобы рассчитать среднеквадратическое напряжение, мы воспользуемся формулой:

Итак, смотрим нашу табличку и находим интересующий нас сигнал:

Для нас не важно, пробивает ли сигнал «пол» или нет, главное, чтобы сохранялась форма сигнала. Видим, что наш коэффициент амплитуды K_a= 1,73.

Подставляем его в формулу и вычисляем среднеквадратическое значение нашего треугольного сигнала

Проверяем нашим прибором, так ли оно на самом деле?

Супер! И в правду Тrue RMS.

Замеряем это же самое напряжение с помощью моего китайского мультиметра

Он меня обманул :-(. Он умеет измерять только среднеквадратическое значение синусоидального сигнала, а у нас сигнал треугольный.

Самый интересный сигнал в плане расчетов — это двуполярный меандр, ну тот есть тот, который «пробивает пол».

Его амплитудное Umax, средневыпрямленное Uср.выпр. и среднеквадратичное напряжение U равняется одному и тому же значению. В данном случае это 1 Вольт.

Вот вам небольшая картинка, чтобы не путаться

среднее, среднеквадратичное и пиковое значения напряжения

• Сред. — средневыпрямленное значение сигнала. Это и есть площадь под кривой
• СКЗ — среднеквадратичное напряжение. Как мы видим, для синусоидальных сигналов, оно будет больше, чем средневыпрямленное.
• Пик. — амплитудное значение сигнала
• Пик-пик. — размах или двойная амплитаду. Или иначе, амплитуда от пика до пика.

Так что же все-таки показывает мультиметр при измерении переменного напряжения? Показывает он НЕ амплитудное, НЕ среднее и НЕ среднее выпрямленное напряжение, а среднее квадратическое, то есть действующее напряжение! Об этом всегда помним.

Действующее напряжение и амплитудное напряжение — что это, и в чем отличие

Все знают, что действующее напряжение в розетке 220 Вольт (230 по новым нормам, но для данной темы это не имеет особого значения). Это легко проверить при помощи мультиметра, который измерит разность потенциалов между фазой и рабочим нулевым проводником. То есть, при идеальных условиях, потенциал на нулевом проводе 0, а на фазном 220 Вольт. На самом деле все немного не так — переменный ток имеет синусоидальную форму с потенциалом на пиках 310 и -310 Вольт (амплитудное напряжение). Для того чтобы это увидеть, необходимо воспользоваться осциллографом.

Читайте также: Может ли стабилитрон понизить напряжение

Синусоида действующего и амплитудного напряжения

Понятно, что данный материал в большей степени ориентирован на простую аудиторию, у которой не то, что осциллографа нет, даже мультиметр наверняка не у каждого есть. Поэтому все примеры будут браться из среды программы Electronics Workbench, доступной каждому.

И первое, что нам нужно посмотреть — это синусоиду напряжения фазы из розетки. Для этого в программе отрисуем трехфазную сеть и подключим осциллограф к одной из фаз:

Как видно при показании вольтметра 219,4 Вольт между одной из фаз и PEN проводником, осциллограф показал синусоиду с амплитудой 309,1 Вольт. Это значение напряжения называется максимальным (амплитудным). А 219,4 Вольт, которые показывает вольтметр — это действующее напряжение. Его также называют среднеквадратичным или эффективным. И прежде чем перейти к рассмотрению данной особенности, кратко, простыми словами пройдемся по отрисованной схеме трехфазной сети и разберемся в природе синусоиды.

Начнем со схемы:

• Слева на право — три источника переменного напряжения с фазовыми углами 0, 120, 240 градусов и соединенными звездой.
• Резистор 4 Ом — это заземление нейтрали трансформатора.
• Резисторы по 0,8 Ом — условное сопротивление проводов, зависящее от сечения провода и длины линии.
• Резисторы 15, 10 и 20 Ом — нагрузка потребителей по трем фазам.
• К одной из фаз подключен осциллограф, показывающий амплитуду 309,1 Вольт.

Теперь рассмотрим синусоиду. Переменное напряжение в отличие от постоянного, график которого прямая на осциллографе, непрерывно изменяется как по величине, так и по направлению. Причем изменения эти происходят периодически, то есть точно повторяются через равные промежутки времени.

Переменное напряжение генерируется на электростанциях и посредством повышающих и понижающих распределительных трансформаторов попадает к конечному потребителю. При этом трансформация по пути никак не сказывается на синусоиде напряжения.

Видео — действующее напряжение и амплитудное

С полным и наглядным изложением рассматриваемого вопроса вы можете ознакомиться в следующем видео:

Работа генератора трехфазного переменного тока

Рассмотрим упрощенно работу генератора трехфазного переменного тока. Обмотки статора (фазы А, В и С) генератора расположены под углом 120 градусов относительно друг друга. Ротор с магнитом вращаясь индуцирует в обмотках статора периодически изменяющиеся ЭДС. Выглядит это следующим образом:

Такое вращение происходит с частотой 50 оборотов в секунду, то есть с частотой 50 Герц. Это значит, что электроны движутся в течение 1 секунды 50 раз в одном направлении (положительный полупериод синусоиды), и 50 — в обратном (отрицательный полупериод), 100 раз проходя чрез нулевое значение. Получается, что к примеру обычная лама накаливания, включенная в сеть с такой частотой, будет затухать и вспыхивать примерно 100 раз за секунду, однако мы этого не замечаем в силу особенностей своего зрения.

Определение действующего напряжения

Теперь непосредственно о том, почему произошел переход от максимального, амплитудного значения напряжения 310 Вольт к действующему 220 Вольт. Ответ можно найти в самом определении.

Читайте также: Светодиодная лампа напряжение включения

Действующее (эффективное или среднеквадратичное) значение напряжения — это такое напряжение постоянного тока, которое на такой же резистивной нагрузке выделит такую же мощность, как измеряемое переменное напряжение. Соответственно, действующее значение силы тока — такое значение силы постоянного тока, при прохождении которого через резистивную нагрузку выделится такая же мощность, что и при прохождении измеряемого тока.

Можно сформулировать и немного иначе. Действующее значение переменного тока равно величине такого постоянного тока, который за время, равное одному периоду переменного тока, произведет такую же работу (тепловой или электродинамический эффект), что и рассматриваемый переменный ток.

Общая формула расчета действующего напряжения произвольной формы следующая:

Объяснение действующего напряжения

Определение и формула — это хорошо. Но лучше все понять на наглядном примере. Объяснить все можно через мощность. Причем есть сложный для восприятия способ и более простой, который мы и рассмотрим далее.

Нам нужно взять один период синусоиды переменного напряжения, на этом промежутке построить синусоиду переменного тока и проанализировать мощность. Начнем с периода синусоиды переменного напряжения. Здесь же построим синусоиду переменного тока с учетом условной резистивной нагрузки (например, лампочки). По закону Ома сила тока равна напряжению, деленному на сопротивление.

Точные значения в конкретный момент при данном объяснении не принципиальны, поэтому все построения приблизительные. Естественно нужно понимать, что деля напряжение на сопротивление, мы получим синусоиду переменного тока с амплитудой в R раз меньшей, чем у напряжения. R – это значение сопротивления.

Теперь по двум синусоидам строим график мощности по формуле мощность равна силе тока умноженной на напряжение (P = I × U). Так как напряжение и ток имеют общие нулевые точки, то график мощности не будет заходить в отрицательную область. То есть сила тока со знаком «+» и напряжение со знаком «+» дадут мощность со знаком «+», так же как и сила тока со знаком «-» и напряжение со знаком «-» дадут мощность со знаком «+».

Анализируя полученный график можно отметить, что мощность пульсирующая. Она поднимается до максимального значения и падает до нуля, потом опять поднимается и снова падает. Как на эти колебания мощности реагируют электроприборы? Никак. Поскольку частота переменного тока 50 Герц, то эти колебания происходят очень быстро. Электроприборы откликаются не на максимальные и минимальные значения мощности, а на усредненные. То есть берется максимальное значение мощности и делится на два. Это значение называется действующим и находится по следующей формуле:

Pд = (Imax × Umax) / 2, где Pд — мощность действующая, Imax — сила тока максимальная, Umax — напряжение максимальное.

Двойку можно представить в виде корень из двух умножить на корень из двух. Получаем Действующее значение мощности = сила тока максимальная деленная на корень из двух умноженная на напряжение максимальное деленное на корень из двух (Pд = (Imax/√2) × (Umax/√2)).

Соответственно сила тока максимальная деленная на корень из двух — это действующее значение силы переменного тока, а напряжение максимальное деленное на корень из двух – это действующее значение переменного напряжения.

И действительно, если мы возьмем максимальное напряжение из предыдущего примера 309,1 Вольт и разделим на корень из двух, то получим действующее напряжение (то, которое показывает вольтметр) 219,4 Вольт.

Электрическое напряжение. Амплитуда сигнала. Амплитудное. Вольт. Volt. Разность потенциалов. Единицы измерения. Кратные. Доли. Мегавольты, киловольты, милливольты

Материал является пояснением и дополнением к статье:
Единицы измерения физических величин в радиоэлектронике
Единицы измерения и соотношения физических величин, применяемых в радиотехника.

Напряжение электрического поля определяет, какая энергия запасена в этом поле. Напряжение равно энергии, необходимой для переноса заряда из одной точке в другую, деленной на величину этого заряда. В случае наличия электрического поля энергия необходима, так как на заряд по закону Кулона действует сила, пропорциональная величине этого заряда. Таким образом:

U = E / q, где E — энергия (Дж), q — заряд (Кулон).

Напряжение измеряется в Дж / К. Еще эту единицу измерения напряжения называют Вольт (В), Volt (V).

Вашему вниманию подборка материалов:

Практика проектирования электронных схем Искусство разработки устройств. Элементная база. Типовые схемы. Примеры готовых устройств. Подробные описания. Онлайн расчет. Возможность задать вопрос авторам

Напряжение и сила тока

Если между двумя точками есть напряжение, и в среде существуют свободные заряженные частицы, то они приходят в движение, и возникает электрический ток. Многие ошибочно полагают, что при возникновении напряжения электрический ток распространяется по проводнику постепенно, со скоростью полета электронов. На самом деле электрическое поле распространяется со скоростью света, а движение электронов возникает везде, где есть поле. Электронам совсем незачем ждать, когда их собраться прилетят и толкнут их. Они начинают двигаться все вместе по команде, которая распространяется со скоростью света.

Ошибочно полагать, что в вакууме электрический ток невозможен при любом напряжении электрического поля. На первый взгляд в вакууме нет заряженных частиц, откуда там будет ток. Но имеет место такой феномен, как энергетический (потенциальный) разрыв (пробой) вакуума. Если напряженность поля очень высока, то в вакууме начинается самопроизвольное зарождение пар заряженных частиц и античастиц. Они и создают электрический ток. Это, конечно, происходит при очень большом напряжении.

Разные материалы под действием напряжения ведут себя по-разному. В некоторых сразу возникает электрический ток, некоторые до определенного предела ток не проводят. Когда напряжение превышает этот предел, то происходит пробой, сила тока резко возрастает. Напряжение пробоя зависит от среды. Есть среды, в которых пробой возникает при сосем небольшом напряжении (мВ), это, в частности, некоторые специально созданные человеком полупроводниковые p-n переходы. Пробой некоторых сред, например, атмосферного воздуха, происходит при тысячах или миллионах вольт. Напряжение пробоя атмосферного воздуха зависит от расстояния между электродами, влажности, давления, наличия ионизирующих факторов, но условно считается, что пробой 1 мм воздуха происходит при 1000 В.

Основные соотношения между электрическим напряжением и другими физическими величинами

Для некоторых сред верен закон Ома. Про такие среды говорят, что они обладают омическим сопротивлением.

[Сила электрического тока, А] = [Напряжение электрического поля, В] / [Сопротивление среды, В]

Далеко не для всех сред верен закон Ома. Например, графит обладает омическим сопротивлением, а инертный газ — нет. Для инертного газа можно говорить только о динамическом (дифференциальном) сопротивлении

[Выделяемая тепловая мощность, Вт] = [Напряжение, В] * [Сила тока, А]

[Выделяемая тепловая мощность, Вт] = [Напряжение, В] ^ 2 / [Сопротивление проводника, Ом]

Амплитуда, амплитудное значение напряжения

Для переменного сигнала напряжение зависит от времени и постоянно меняется. Чтобы измерять сигналы переменного тока, введены понятия амплитудного и действующего (эффективного) напряжения.

Амплитудное значение напряжения — это просто максимально возможное напряжение сигнала. Напряжение периодического сигнала регулярно достигает своего амплитудного значения. Иногда оперируют амплитудным значением за определенное время. Это полезно, например, для затухающих или амплитудно-модулированный сигналов. Амплитуда за определенное время — максимальное напряжение за это время.

Единицы измерения, кратные Вольту (Volt)

Мегавольт	МВ	MV	1E6 В	1000000 В
Киловольт	кВ	kV	1E3 В	1000 В
милливольт	мВ	mV	1E-3 В	0.001 В

К сожалению в статьях периодически встречаются ошибки, они исправляются, статьи дополняются, развиваются, готовятся новые. Подпишитесь, на новости, чтобы быть в курсе.

Если что-то непонятно, обязательно спросите!
Задать вопрос. Обсуждение статьи.

Прямоходовый импульсный стабилизированный преобразователь напряжения, .
Как работает прямоходовый стабилизатор напряжения. Описание принципа действия. П.

Генератор сигнала с переменной скважностью импульсов. Регулировка коэф.
Схема генератора и регулируемым коэффициентом заполнения импульсов, управляемого.

Понижающий импульсный преобразователь напряжения, источник питания. Ко.
Как сконструировать понижающий импульсный преобразователь. Шаг 1. Как выбрать ча.

Обратноходовый импульсный источник питания. Онлайн расчет. Форма. Пода.
Как рассчитать обратноходовый импульсный преобразователь напряжения. Как подавит.

Использование переключающихся конденсаторов в бестрансформаторном исто.
Вариант бестрансформаторной схемы источника питания с переключением конденсаторо.

Инвертирующий импульсный преобразователь напряжения, источник питания.
Как сконструировать инвертирующий импульсный преобразователь. Как выбрать частот.

Биполярный транзистор. Принцип работы. Применение. Типы, виды, категор.
Все о биполярном транзисторе. Принцип работы. Применение в схемах. Свойства. Кла.