Удивительный разряд RC-цепи

Времязадающие RC-цепи применяют во многих случаях. Когда требуется, чтобы время разряда конденсатора было много меньше времени его заряда, используют разрядный диод, включенный параллельно резистору (рис.1).

Соберем сначала схему без диода. Возьмем конденсатор емкостью 0,022 мкФ и 9-вольтовую батарею питания. Подключим осциллограф параллельно резистору R1.

При замыкании кнопки SB1 наблюдаем на экране осциллографа импульс положительной полярности, а при размыкании кнопки импульс отрицательной полярности, равный по амплитуде напряжению питания. Тут вопросов нет, все по теории.

Схема для заряда и разряда конденсатора

Рис. 1. Схема для заряда и разряда конденсатора.

Теперь включим параллельно резистору диод VD1. При замыкании кнопки видим импульс положительной полярности, а при размыкании кнопки... снова импульс положительной полярности, правда, меньший по амплитуде, но равный по длительности импульсу при замыкании кнопки. Это может вызвать сбои в работе схем. Например, если такую цепочку включить на вход сброса счетчика.

Прошел положительный импульс сброса, счетчик обнулился, далее в него записалась информация (по информационным входам), а потом с этой цепочки снова пройдет неучтенный импульс сброса. Почему?

Измененная схема с индуктивностью

Рис. 2. Измененная схема с индуктивностью.

Для понимания возникающего эффекта учтем имеющуюся в схеме индуктивность монтажа (L1 на рис.2а). Она хоть и маленькая, но обязательно присутствует. Разобьем процесс коммутации на 4 этапа.

  1. Замыкаем кнопку SB1, и конденсатор С1 заряжается через резистор R1 до напряжения питания (полярности напряжений на индуктивности L1 и на конденсаторе С1 показаны на рис.2б). Индуктивностью L1 можно пренебречь, так как сопротивление R1 велико, и процесс - низкочастотный.
  2. Разомкнем кнопку SB1. И тут начинается интересное. Конденсатор С1 будет быстро разряжаться через диод VD1, который нужно рассматривать как нелинейное сопротивление и учитывать падение напряжения на его р-п переходе (при напряжении питания ниже 2 В этот эффект пропадает). Этот процесс-более быстродействующий (примерно на 3 порядка), и индуктивностью монтажа пренебречь нельзя. На этом этапе энергия, запасенная в конденсаторе, перекачивается в энергию индуктивности проводов (образуется последовательный колебательный контур).
  3. Ток в цепи конденсатора уменьшается, и энергия, запасенная в индуктивности монтажных проводов, переходит (естественно, с определенным КПД) снова в конденсатор. При уменьшении тока в цепи индуктивность пытается поддержать ток, при этом полярность напряжения на ней меняется на обратную, но диод для такой полярности включен в прямом направлении, и происходит очень быстрый заряд конденсатора в обратной полярности. Процесс на 3 этапе - также высокочастотный.
  4. На нем диод, как и на первом этапе, закрыт, и мы снова видим на осциллографе импульс положительной полярности, причем его длительность равна длительности импульса на 1 этапе. Амплитуда импульса будет меньше (надо учитывать КПД). Процесс - снова низкочастотный.

Вот какой интересный эффект можно получить. “Изюминка” кроется в том, что 2 и 3 этапы-быстродействующие. Их можно рассмотреть на осциллографе, но требуется внимательность. А без этого мы видим фокус, т.е. то, чего просто не может быть!

Но достаточно в последовательный колебательный контур внести сопротивление потерь, равное 100 Ом (например, включив последовательно с диодом соответствующий резистор), и эффект исчезнет.

Ориентировочно можно считать, что на 1 м одиночного провода приходится распределенная индуктивность около 2 мкГн. Общая длина проводников в схеме - порядка 60...80 мм, поэтому индуктивность проводов будет 0,1...0,15 мкГн.

Вывод

При ускорении процесса разряда емкости с помощью диода последовательно с ним обязательно нужно ставить токоограничитепьный резистор, чтобы процесс оставался низкочастотным.

Для микросхем с полевыми транзисторами его величину выбирают в пределах 20...30 кОм, чтобы не превышать нагрузочную способность выходов микросхем.

А. Сучинский, г.Балашиха Московской обл. РМ-08-12.

Литература:

  1. Гинкин Г.Г. Справочник по радиотехнике. - М.-Л.: Госэнергоиз-дат, 1948, С.208.
  2. Б.Картер и Р.Манчини. Операционные усилители для всех. - М.: Додэка XXI, 2011, С.421.
1 66 Для начинающих
RC начинающим
Написать комментарий:

cashback