Материал предоставлен журналом
В мире электроники существуют два вида элементов: активные и реактивные. Отличаются они тем, что параметры реактивных элементов (конденсаторы, катушки индуктивности) зависят от частоты сигнала, а параметры активных (резисторы, диоды) - неизменны на любой частоте.
Принцип действия реактивных элементов основывается на их способности запасать электрическую энергию (произведение напряжения на ток, т.е. мощность). Но, так как непосредственно "законсервировать" мощность невозможно (подразумевается -доступным для большинства радиолюбителей способом), то приходится идти на некоторые ухищрения - преобразовывать электрическую энергию в какое-нибудь электрическое поле, и тогда, если это преобразование идет с затратой энергии, то при обратном преобразовании (поле —> энергия) энергия будет выделяться.
Конденсатор преобразует электрическую энергию в электростатическое поле, а катушка индуктивности - в электромагнитное. Для лучшего понимания этих процессов работу всей схемы можно сравнить с работой гидроэлектростанции (ГЭС), тогда водохранилище - аналог конденсатора, а вертолет, поднимающий воду на резиновом тросе - аналог катушки индуктивности.
Так как конденсатор запасает энергию в виде электростатического поля, которое, как видно из названия, статично (неподвижно), то заряд на конденсаторе, после отключения заряжающего тока, может сохраняться практически бесконечно долго. Так же и в водохранилище: после закрытия шлюзов, отделяющих его от реки или моря, вода может сохраняться очень долго. Правда, она постепенно испаряется (ток утечки - у конденсатора) и может просачиваться сквозь неплотно закрытые шлюзы, и сквозь землю (соответственно - потребляемый схемой ток и сопротивление окружающей среды). Кроме того, если при открытых шлюзах вода в реке изменяется плавно, через шлюзы течет слабый поток воды. При резком изменении уровня воды в реке сила потока увеличивается и, если река мгновенно обмелеет (по какой-либо причине), поток воды может быть столь сильным, что сможет разрушить шлюзы, и возникшая в результате волна разрушит все, стоящее на ее пути. У конденсатора, при плавном изменении напряжения на его обкладках, заряжающий/разряжающий ток невелик, и при увеличении скорости возрастания напряжения (подразумевается, что выходное сопротивление управляющей конденсатором схемы близко к нулю) на конденсаторе ток также возрастает. Если же напряжение на обкладках конденсатора изменяется очень резко (короткое замыкание), то вся энергия, запасенная конденсатором (разряд) или необходимая для создания электростатического поля некоторой напряженности (заряд), практически мгновенно превратиться в мощность (т.е. U · I) - с искрами, дымом и сгоревшими р-n переходами.
Таким образом, конденсатор запасает некоторое количество (в зависимости от емкости) энергии, которая сохраняется долго, а отдается - по первому требованию, и если амплитуда переменного синусоидального (не пилообразного или, тем более, цифрового меандра!) сигнала неизменна и равна, например, 2 В, то емкостное сопротивление конденсатора при увеличении частоты сигнала будет уменьшаться, - то есть при этом будет увеличиваться протекающий через конденсатор переменный ток (ведь при этом увеличивается крутизна импульсов, т.е. увеличивается скорость изменения напряжения).
Катушка индуктивности работает по иному принципу. Электромагнитное поле внутри ее сохраняется только в том случае, пока через катушку течет ток, кактолько этот ток прекратиться (один или оба вывода катушки отсоединят от схемы), электромагнитное поле почти мгновенно "превратиться" в мощность (произведение U · I). Так как ток нагрузки катушки (I) равен практически нулю, напряжение на выводах катушки будет очень большим - намного больше, чем напряжение питания. Теоретически оно бесконечно большое, но практически редко бывает больше тысяч вольт. Этот эффект называется "ЭДС (электродвижущая сила) самоиндукции", и разнообразные индукционные умножители напряжения, а также практически все импульсные схемы работают только благодаря этому эффекту.
Электромагнитное поле довольно инерционно: оно возникает (или пропадает) не сразу же после подачи (прекращения) мощности (U · I) на выводы катушки, а весьма плавно увеличивается/уменьшается в течение некоторого времени. Оно зависит от количества витков катушки (т.е. ее индуктивности) - чем оно больше, тем дольше нарастает поле внутри катушки. Мгновенно намагнитить катушку индуктивности невозможно - также как невозможно мгновенно наполнить ведро водой из крана, и чем больше индуктивность катушки (чем больше объем ведра), тем дольше продолжается процесс намагничивания. Если же внутрь катушки ввести сердечник из ферромагнитного материала, то эта катушка, при том же числе витков, будет намагничиваться (размагничиваться) гораздо дольше - ведь сердечник тоже нужно учитывать. То есть индуктивность катушки с сердечником гораздо больше (в сотни...тысячи раз), чем без него.
Выводы:- использовать катушку индуктивности для хранения энергии нельзя;
- активное сопротивление (резисторное) катушки индуктивности на низких частотах минимально и равно сопротивлению провода, которым она намотана: при увеличении частоты сигнала к активному сопротивлению прибавляется индуктивное, и полное сопротивление катушки увеличивается. На бесконечно большой частоте сопротивление катушек увеличивается не более чем в тысячи раз относительно активного.
Емкость конденсатора зависит от площади обкладок и толщины диэлектрика. Чем больше площадь и меньше толщина, тем выше емкость. Но толщину диэлектрика очень сильно уменьшать нельзя -ведь при этом уменьшится максимально допустимое рабочее напряжение. Поэтому для увеличения емкости лучше всего увеличивать размеры обкладок. Кроме того, у всех накопителей энергии (конденсаторы, батарейки, аккумуляторы и пр.) есть такой параметр, как внутреннее сопротивление (в зарубежной литературе оно не совсем точно зовется эффективным последовательным сопротивлением, сокращенно-ESR). Любой источник энергии можно представить как идеальный источник, внутри которого установлен резистор некоторого сопротивления. При увеличении тока нагрузки падение напряжения на этом резисторе увеличивается (U = I · R), т.е. КПД (качество) элемента ухудшается. Для уменьшения внутреннего сопротивления конденсатора нужно увеличить размеры пластин и их толщину.
Индуктивность катушки зависит от количества витков (чем их больше, тем выше индуктивность) и магнитной проницаемости сердечника. Активное (внутреннее) сопротивление катушки зависит от толщины провода и материала, из которого он изготовлен (медь или алюминий). Чем толще провод, тем меньше активное сопротивление.
Из всего вышесказанного можно сделать такой вывод: чем больше емкость конденсатора или чем выше индуктивность катушки индуктивности, тем больше их габаритные размеры. Современные конденсаторы емкостью в доли фарады, с внутренним сопротивлением 1 Ом и напряжением 16 В, по размерам похожи на пивную бутылку и стоят 50 у.е. Дроссели (катушки с очень большой индуктивностью, всегда с магнитным сердечником) индуктивностью 1000 Гн и активным сопротивлением 10 Ом имеют массу не менее 10 кг А теперь представьте, как будет выглядеть ваша схема на парочке микросхем и с такими радиоэлементами! А в некоторых схемах необходимы реактивные элементы с еще более "крутыми" параметрами.
Поэтому проблема замены огромных реактивных элементов их малогабаритными электронными аналогами всегда волновала радиолюбителей, работающих с ними, по той причине, что невозможно создать такой аналог индуктивности, который преобразовывал бы электрическую энергию в электростатическое поле и наоборот. Но кто сказал, что аналог индуктивности должен работать с электромагнитным полем - это же не трансформатор с его вторичными обмотками?!
Философский камень древние алхимики так и не нашли, а вот электронные аналоги реактивных элементов радиолюбители придумали довольно давно. Ниже я познакомлю читателей с наиболее популярными схемами. Их единственный серьезный недостаток - необходим источник питания, но преимущества-дешевизна комплектующих и крайне малые размеры - позволяют пренебречь им.
Известны два варианта подобных схем: умножители, увеличивающие емкость или индуктивность припаянного элемента в несколько (до 1000) раз и так называемые гираторы, которые с припаянным конденсатором ведут себя как катушки индуктивности, а с катушкой - как конденсаторы.
Схема умножителя емкости изображена на рис. 1.
Рис. 1
Схема умножителя емкости
Операционный усилитель (ОУ) DA1 включен как повторитель сигнала (коэффициент усиления равен 1), а на резисторах R1 и R2 собран делитель тока. В исходном состоянии напряжение на прямом входе ОУ (вывод 3) равно нулю, и конденсатор С1 разряжен; при подаче на выводы, отмеченные как С* некоторого напряжения через резисторы R2 и R1 начинает течь некоторый ток (так как напряжение на выходе ОУ равно нулю). Конденсатор С1 плавно заряжается через резистор R1, и также плавно уменьшается входной ток. Как только напряжение на конденсаторе С1 станет равным напряжению на входе С*, этот ток уменьшится до нуля. Если же теперь замкнуть вход С* на нагрузку, на- пряжение на нижнем по схеме выводе резистора R2 станет меньше, чем на верхнем (напряжение на выходе ОУ равно напряжению на конденсаторе С1, а последнее больше нуля), т.е. через резистор R2 будет течь некоторый ток, который схема отбирает у источника питания (а не С1!), одновременно через резистор R1 разряжается конденсатор С1.
Так как сопротивление резистора R1 в 100 раз больше сопротивления R2, то схема ведет себя как конденсатор, емкость которого в 100 раз больше емкости С1. Конденсатор С1 может быть как полярным, так и неполярным -таким же будет и вход схемы. Напряжение на входе не должно превышать напряжение питания схемы.
Внутреннее сопротивление этой схемы как конденсатора численно равно сопротивлению резистора R2. Уменьшать сопротивление этого резистора нежелательно — выход ОУ маломощный, и выходной ток не превышает 20 мА. Если вам нужен конденсатор с меньшим выходным сопротивлением, нужно или выбрать мощный ОУ (из отечественных - К157УД1; 300 мА), или поставить на выходе обычного ОУ составной эмиттерный повторитель (рис. 2). В таком случае сопротивление резистора R2 можно уменьшить в h21э раз, т.е. до 10...20 Ом. Если эмиттерные повторители собрать на составных транзисторах Дарлингтона (КТ972, КТ973, КТ825, КТ827), его сопротивление можно будет уменьшить еще раз в 10, но с такими транзисторами даже скоростные ОУ серий 544, 574 нормально работают (без возбуждения) только на частотах до 10...100 кГц.
Рис. 2
Схема умножителя емкости с составным эмиттерным повторителем
Вместо конденсатора С1 можно припаять катушку индуктивности - ее индуктивность увеличиться в R1/R2 раз, активное сопротивление будет равно сопротивлению резистора R2, а ЭДС самоиндукции не будет превышать напряжение питания схемы. Если сопротивление резистора R1 меньше 1 кОм, нужно позаботиться о защите входа ОУ от самоиндукции катушки L1 (два защитных диода: между входом и проводами "+U", "-U").
Схема гиратора изображена на рис. 3. Эта схема очень часто используется для имитации индуктивности: их, в отличие от конденсаторов, большинству радиолюбителей приходится наматывать самостоятельно.
Рис. 3
Схема гиратора
Пока частота входного сигнала довольно велика, емкостное сопротивление конденсатора С1 гораздо меньше сопротивления резистора R1, и сигнал на выходе ОУ повторяет входной сигнал. Падение напряжения на выводах резистора R2 ничтожно мало, и ОУ практически не шунтирует входной сигнал. При уменьшении частоты входного сигнала емкостное сопротивление конденсатора С1 возрастает, и амплитуда сигнала на выходе ОУ становится меньше, чем на входе схемы. Переменный ток через резистор R2 возрастает, т.е. индуктивное сопротивление схемы уменьшается. На постоянном токе емкостное сопротивление конденсатора бесконечно, и активное сопротивление равно сопротивлению резистора R2. К выходу ОУ в этой схеме также можно подключить эмиттерные повторители.
Сопротивление резистора R1 во всех схемах не должно превышать 1 МОм - иначе нужно будет учитывать наводки и помехи. Конденсатор С1 в схеме на рис. 3 должен быть неполярным. DA1 можно заменить на любой другой ОУ; если вы используете ОУ с биполярными транзисторами на входе, перемычку между выходом и инверсным входом желательно разорвать, и соединить эти выводы через резистор такого же сопротивления, как и R1. Впрочем, делать это необязательно.
Запитывать схему нужно отдвухполярного источника питания (рис. 4); один из выводов конденсатора С* или катушки индуктивности L* соединен с общим проводом. Если для питания используется схема по рис. 4б, то емкость фильтрующего конденсатора должна как минимум в 10 раз превышать емкость конденсатора С1, а сопротивления резисторов делителя напряжения не должно быть меньше сопротивления резистора R1. Напряжения "+U" и "-U", относительно общего провода, могут быть неодинаковыми по величине (например, +20 В и -4 В), но тогда внутреннее сопротивление схемы для разных полуволн может быть разным.
Рис. 4а
Питание схемы от двухполярного источника питания
Рис. 4б
Питание схемы от двухполярного источника питания