Litar Capacitor Beralih

Stanley A Meyer 1989 House Meeting in New Zealand Part 2 HD Hho Hydrogen Voltrolysis (Jun 2019).

$config[ads_text] not found
Anonim

Litar Capacitor Beralih

Litar Digital


soalan 1

Tulis persamaan yang menerangkan perhubungan matematik yang tepat antara caj elektrik (Q), kapasitansi (C), dan voltan (V).

Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

Semua yang saya akan mendedahkan di sini ialah caj itu adalah berkadar terus dengan kedua-dua voltan dan kapasitansi. Persamaan ini adalah mudah untuk dicari sendiri, dengan meneliti melalui pelbagai buku teks elektronik!

Soalan susulan: mengira jumlah caj yang disimpan dalam kapasitor 330 μF yang dikenakan dengan voltan sebanyak 12 volt.

Nota:

Ini adalah salah satu persamaan yang biasanya dibincangkan di suatu tempat dalam beberapa bulan pertama pendidikan dasar elektronik, dan dengan segera dilupakan oleh kebanyakannya. Ia boleh menjadi sangat berguna, bagaimanapun, apabila mengendalikan pam cas dan litar kapasitor yang lain.

Soalan 2

Apa yang akan berlaku jika kapasitor 10 μF, yang dikenakan ke voltan 6 volt, disambungkan ke kapasitor 22 μF (0 volts) sepenuhnya dilepaskan "// www.beautycrew.com.au//sub.allaboutcircuits.com/images/ kuiz / 01453x01.png ">

Apakah voltan (s) akan melintangi setiap kapasitor, selepas masa yang mencukupi telah disahkan untuk penyamaan lengkap berlaku?

Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

Voltan di setiap kapasitor = 1.875 volt.

Nota:

Aspek yang paling penting bagi jawapan pelajar anda ialah bagaimana mereka sampai kepada mereka. Terdapat lebih daripada satu cara untuk menyelesaikan masalah ini!

Soalan 3

Apa yang akan terjadi kepada voltan merentasi kapasitor C 2 jika langkah berikut telah diikuti, berulang kali:

Sambungkan kapasitor C 1 ke bateri, membenarkan bayaran penuh
Cabut kapasitor C 1 dari bateri
Sambungkan kapasitor C 1 ke kapasitor C 2, membenarkan caj untuk disamakan
Cabut kapasitor C 1 dari kapasitor C 2
Ulang
Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

Akhirnya, voltan merentas kapasitor C 2 akan sama dengan voltan bateri.

Soalan cabaran: bagaimana saiz relatif kapasitor (di Farads) mempengaruhi proses ini "nota tersembunyi"> Nota:

Pratonton soalan ini litar kapasitor terbang .

Soalan 4

Huraikan apa yang berlaku kepada V keluar (voltan merentasi kapasitor C 4 ) selewat-lewatnya masa, dengan mengandaikan geganti terus ditukar dengan litar pengayun pada frekuensi tinggi. Anggapkan bahawa voltan masukan (V in ) adalah tetap dari masa ke masa:

Litar jenis ini sering dirujuk sebagai litar kapasitor terbang, dengan C 3 sebagai kapasitor "terbang". Terangkan mengapa ini, dan apakah faedah yang mungkin dapat direalisasikan dengan menggunakan litar kapasitor terbang untuk sampel voltan.

Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

Litar kapasitor terbang digunakan untuk memberikan pengasingan galvanik antara sumber voltan sampel dan litar pengukuran voltan.

Nota:

Saya pernah bekerja untuk sebuah syarikat di mana beribu-ribu litar "kapasitor terbang" ini digunakan untuk menguji voltan merentasi pelbagai sel pengurangan elektrokimia yang bersambung, yang voltan mod biasa boleh dengan mudah melebihi 500 volt DC! Teknologi primitif ini menyediakan pengasingan supaya litar pemerolehan data tidak perlu berurusan dengan voltan mod biasa yang tinggi.

Secara kebetulan, relay yang kami gunakan adalah hermetically dimeteraikan, hubungan dengan mercury yang basah, geganti reed. Relay ini mempunyai kehidupan yang menghairankan, seringkali beberapa tahun! Mereka dikitar pada sekitar 20 Hz, untuk beberapa kitaran, kira-kira sekali setiap minit (24 jam sehari, 365 hari setahun).

Soalan 5

Katakan seorang jurutera memutuskan untuk menggunakan litar kapasitor terbang untuk sampel voltan merentasi perintang shunt, untuk mengukur arus AC dari penjana elektrik:

Kekerapan output alternator adalah 50 Hz. Bagaimanakah ini mempengaruhi reka bentuk litar kapasitor yang terbang, jadi kami memastikan pembiakan semula isyarat AC tepat pada output litar kapasitor terbang "# 5"> Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

Kekerapan beralih litar kapasitor terbang mesti melebihi kekerapan output alternator dengan margin yang besar, atau bentuk isyarat tidak akan diterbitkan dengan setia pada output litar.

Soalan cabaran: jika anda adalah juruteknik atau jurutera dalam projek ini, apakah kekerapan beralih yang anda cadangkan untuk litar kapasitor terbang? Bagaimana kriteria ini menjejaskan reka bentuk litar kapasitor terbang itu sendiri (nilai kapasitor, relay versus switch transistor)?

Nota:

Tanyakan kepada pelajar anda untuk lakarkan penghampiran gelombang keluaran kapasitor litar terbang untuk frekuensi persampelan yang berbeza. Persoalan ini adalah peneraju utama dalam perbincangan mengenai kekerapan Nyquist, jika pelajar anda bersedia untuk itu!

Aspek penting soalan ini adalah untuk pelajar umum daripada contoh litar khusus ini kepada semua sistem di mana isyarat disampel sepanjang selang masa diskret. Dalam litar elektronik moden, terutamanya litar pemerolehan data, masa sampel boleh menjadi isu penting. Dalam pengalaman saya, ia adalah salah satu sebab utama sistem digital yang memberikan hasil yang lemah.

Soalan 6

Dalam litar ini, sebuah kapasitor seli disambungkan kepada sumber voltan, maka beban, dengan menggunakan dua transistor MOSFET yang tidak pernah dilakukan pada masa yang sama:

Nota: isyarat φ 1 dan φ 2 pulse secara kolektif dirujuk sebagai jam yang tidak bertindih, dua fasa .

Pertimbangkan jumlah purata arus melalui perintang beban, sebagai fungsi kekerapan jam. Anggapkan bahawa rintangan "pada" setiap MOSFET diabaikan, supaya masa yang diperlukan untuk kapasitor dikenakan juga diabaikan. Apabila kekerapan jam meningkat, apakah perintang beban menerima lebih kurang semasa semasa lebih daripada beberapa kitaran jam "// www.beautycrew.com.au//sub.allaboutcircuits.com/images/quiz/01459x02.png" >

Ia harus jelas dalam litar ini bahawa arus beban berkurangan apabila rintangan pembolehubah R meningkat. Apa yang tidak begitu ketara adalah bahawa litar kapasitor beralih di atas memberi emulates resistor yang berubah-ubah R dalam litar kedua, supaya terdapat kesamaan matematik antara f dan C dalam litar pertama, dan R dalam litar kedua, setakat purata semasa bimbang. Untuk meletakkan ini dalam istilah yang lebih mudah, rangkaian kapasitor beralih berkelakuan seperti perintang berubah.

Kalkulus dikehendaki membuktikan kesetaraan matematik ini, tetapi hanya pemahaman kualitatif kedua-dua litar adalah perlu untuk memilih kesamaan yang betul dari persamaan berikut. Yang mana satu dengan tepat menggambarkan kesetaraan rangkaian kapasitor beralih dalam litar pertama kepada perintang berubah dalam litar kedua?

R = f


C

R = C


f

R = 1


fc

R = fC

Pastikan untuk menerangkan alasan di sebalik pilihan persamaan anda.

Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

Purata beban semasa meningkat apabila kekerapan jam meningkat: R = (1 / fC)

Nota:

Mungkin aspek yang paling penting dalam soalan ini ialah penalaran analitis pelajar: bagaimana mereka menganalisis kedua-dua litar untuk menjawab jawapan mereka? Pastikan untuk menumpukan masa kelas yang mencukupi untuk perbincangan ini, membantu pelajar yang lemah memahami konsep padanan kapasitor / resistor yang ditukar dengan membenarkan pelajar yang lebih kuat mengemukakan hujah mereka.

Soalan 7

Dalam litar ini, sebuah kapasitor secara seli dihubungkan secara siri antara sumber voltan dan beban, kemudian dipintas, dengan menggunakan dua transistor MOSFET yang tidak pernah melakukan pada masa yang sama:

Nota: isyarat φ 1 dan φ 2 pulse secara kolektif dirujuk sebagai jam yang tidak bertindih, dua fasa .

Pertimbangkan jumlah purata arus melalui perintang beban, sebagai fungsi kekerapan jam. Anggapkan bahawa rintangan "pada" setiap MOSFET diabaikan, supaya masa yang diperlukan untuk kapasitor dikenakan juga diabaikan. Apabila kekerapan jam dinaikkan, apakah perintang beban menerima lebih kurang semasa semasa lebih daripada beberapa kitaran jam "// www.beautycrew.com.au//sub.allaboutcircuits.com/images/quiz/01460x02.png" >

Ia harus jelas dalam litar ini bahawa arus beban berkurangan apabila rintangan pembolehubah R meningkat. Apa yang tidak begitu ketara adalah bahawa litar kapasitor beralih di atas memberi emulates resistor yang berubah-ubah R dalam litar kedua, supaya terdapat kesamaan matematik antara f dan C dalam litar pertama, dan R dalam litar kedua, setakat purata semasa bimbang. Untuk meletakkan ini dalam istilah yang lebih mudah, rangkaian kapasitor beralih berkelakuan seperti perintang berubah.

Kalkulus dikehendaki membuktikan kesetaraan matematik ini, tetapi hanya pemahaman kualitatif kedua-dua litar adalah perlu untuk memilih kesamaan yang betul dari persamaan berikut. Yang mana satu dengan tepat menggambarkan kesetaraan rangkaian kapasitor beralih dalam litar pertama kepada perintang berubah dalam litar kedua?

R = f


C

R = C


f

R = 1


fc

R = fC

Pastikan untuk menerangkan alasan di sebalik pilihan persamaan anda.

Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

Purata beban semasa meningkat apabila kekerapan jam meningkat: R = (1 / fC)

Nota:

Mungkin aspek yang paling penting dalam soalan ini ialah penalaran analitis pelajar: bagaimana mereka menganalisis kedua-dua litar untuk menjawab jawapan mereka? Pastikan untuk menumpukan masa kelas yang mencukupi untuk perbincangan ini, membantu pelajar yang lemah memahami konsep padanan kapasitor / resistor yang ditukar dengan membenarkan pelajar yang lebih kuat mengemukakan hujah mereka.

Soalan 8

Kenal pasti polariti voltan merentasi penghantar beban dalam litar kapasitor beralih berikut (dipanggil litar transresistor ). Nota: φ 1 dan φ 2 adalah isyarat jam fasa dua fasa, tidak bertindih, dan suis adalah hanya gambaran generik transistor.

Kenal pasti polariti voltan merentasi penghantar beban dalam litar kapasitor beralih berikut. Nota: satu-satunya perbezaan antara litar ini dan yang terakhir adalah urutan beralih.

Apakah perbezaannya terhadap isyarat keluaran litar penguat operasi ini jika jujukan pensuisan beralih ditukar "/ // www.beautycrew.com.au//sub.allaboutcircuits.com/images/quiz/01463x04.png ">

Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

Litar op-amp akan bertindak sebagai penguat terbalik atau tidak terbalik, bergantung kepada urutan bertukar. Keuntungan akan terjejas dengan kekerapan menukar.

Soalan cabaran: rangkaian kapasitor beralih kedua sering dirujuk sebagai bersamaan negatif resistor . Terangkan mengapa.

Nota:

Beberapa fleksibiliti rangkaian kapasitor beralih boleh dilihat dalam kedua-dua contoh litar ini. Benar-benar, mereka litar yang sama, hanya beroperasi dengan cara yang berbeza. Bincangkan dengan pelajar anda bagaimana fleksibiliti ini mungkin kelebihan dalam reka bentuk litar.

Soalan 9

Penyelidikan persamaan kesamaan rintangan bagi setiap rangkaian kapasitor beralih (menggunakan MOSFET N-saluran sebagai suis), menggambarkan rintangan yang ditiru (R) sebagai fungsi frekuensi pensuisan (f) dan kapasitans (C):

Nota: φ 1 dan φ 2 adalah isyarat jam fasa tanpa fasa.

Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

Litar A : Litar selari R = (1 / fC)

Litar B : Siri litar R = (1 / fC)

Litar C : litar siri selari R = (1 / (f (C 1 + C 2 )))

Litar D : litar Bilinear R = (1 / 4fC)

Litar E : Litar transresistor negatif R = - (1 / fC) (tanda negatif menunjukkan penyongsangan kutub)

Litar F : Litar transresistor positif R = (1 / fC)

Nota:

Matematik yang diperlukan untuk memperoleh persamaan ini secara langsung mungkin di luar kemampuan pelajar anda, tetapi mereka masih harus dapat menyelidikinya! Sesetengah rangkaian secara langsung bersamaan dengan satu sama lain, menjadikannya lebih mudah untuk pelajar anda mengaitkan persamaan: misalnya, litar F bersamaan dengan litar B, dan litar E adalah perkara yang sama seperti F kecuali inversi kutub. Ia tidak perlu mengambil banyak analisa untuk menyedari bahawa litar A dan B mesti mempunyai persamaan yang sama juga.

Soalan 10

Memandangkan hakikat bahawa rangkaian kapasitor beralih mempunyai keupayaan untuk mencontohi rintangan berubah-ubah, apakah kelebihan yang anda boleh fikirkan untuk menggunakan rangkaian switched-capacitor di dalam litar bersepadu analog "# 10"> Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

Rangkaian kapasitor yang beralih membolehkan kita mempunyai perintang pembolehubah secara elektronik di dalam litar bersepadu, tanpa bahagian yang bergerak, yang merupakan kelebihan teknologi berbanding perintang standard. Satu lagi kelebihan litar kapasitor beralih adalah bahawa mereka biasanya memerlukan kurang kawasan substrat pada litar bersepadu daripada perintang yang setara. Kelebihan yang besar adalah rangkaian kapasitor yang dipindahkan boleh dibuat untuk memberikan resistensi yang jauh lebih tepat daripada resistor biasa, yang penting dalam aplikasi penapisan.

Saya akan membiarkan anda menyelidik (atau bermimpi) beberapa aplikasi praktikal untuk teknologi ini.

Nota:

Soalan ini boleh membawa kepada perbincangan yang menarik dan meriah dengan pelajar anda. Apabila pelajar mengiktiraf kesetaraan antara rangkaian kapasitor dan perintang yang beralih, ia adalah lompatan kognitif yang pendek dari sana kepada aplikasi praktikal di mana rintangan berubah-ubah akan berguna (terutamanya dalam persekitaran litar bersepadu, di mana bahagian bergerak secara tradisinya keluar dari soalan).

Soalan 11

Kenal pasti jenis litar penapis pasif ini, kemudian gambarkan gambarajah skematik untuk litar bersamaan dengan menggunakan rangkaian kapasitor beralih dan bukannya perintang:

Juga, tulis persamaan yang menerangkan frekuensi cutoff dari segi nilai frekuensi dan nilai kapasitor.

Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

Ini ialah litar penapis lowpass :

f -3dB = f suis C 1


2 πC 2

Nota: agar litar ini praktikal, f suis >> f isyarat .

Nota:

Soalan ini meminta para pelajar untuk menggantikan rangkaian kapasitor beralih untuk perintang tetap dalam litar penapis asal. Begitu juga, penggantian algebra diperlukan untuk memperoleh persamaan untuk frekuensi cutoff.

Soalan 12

Kenal pasti jenis litar penapis pasif ini, kemudian gambarkan gambarajah skematik untuk litar bersamaan dengan menggunakan rangkaian kapasitor beralih dan bukannya perintang:

Juga, tulis persamaan yang menerangkan frekuensi cutoff dari segi nilai frekuensi dan nilai kapasitor.

Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

Ini adalah litar penapis highpass :

f -3dB = f suis C 2


2 πC 1

Nota: agar litar ini praktikal, f suis >> f isyarat .

Nota:

Soalan ini meminta para pelajar untuk menggantikan rangkaian kapasitor beralih untuk perintang tetap dalam litar penapis asal. Begitu juga, penggantian algebra diperlukan untuk memperoleh persamaan untuk frekuensi cutoff.

Soalan 13

Kapasitor 4.7 μF (C i ) dicaj kepada voltan 4 volt, kemudian disambungkan kepada input pembalik penguat operasi (dengan kapasitor maklum balas 10 μF, C f ). Apa yang berlaku kepada voltan di seluruh C i dan C f "//www.beautycrew.com.au//sub.allaboutcircuits.com/images/quiz/01462x01.png">

Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

V C saya pergi ke sifar, manakala V C f meningkat sebanyak 1.88 volt.

Nota:

Sebab mengapa V C saya pergi ke sifar, tentu saja, adalah fungsi maklum balas negatif opamp. Aspek soalan ini memberi peluang yang baik untuk mengkaji prinsip opamp asas.

Soalan 14

Banyak litar kapasitor yang beralih memerlukan isyarat jam dua fasa yang tidak bertindih . Ditunjukkan di sini adalah gambarajah skematik litar pintas yang menukarkan isyarat jam tunggal menjadi dua isyarat jam yang tidak saling melengkapi:

Anggapkan bahawa satu-satunya pintu gerbang yang mempunyai kelewatan penyebaran adalah gerbang dua bUKAN (di dalam kotak bertitik), yang tujuannya adalah untuk menyediakan kelewatan masa pendek dalam isyarat maklum balas. Lukis rajah masa yang menunjukkan isyarat jam dua fasa (φ 1 dan φ 2 ) berhubung dengan bentuk gelombang jam input, dan bersedia untuk menjelaskan bagaimana dan mengapa litar ini berfungsi:

Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

Nota:

Walaupun ia akan menjadi jelas kepada ramai pelajar anda, anda mungkin ingin bertanya "kenapa kita panggil isyarat jam dua yang tidak tumpang tindih " panel kerja lalai panel panel lalai "

Soalan 15

Hakikat bahawa rangkaian kapasitor yang beralih dapat bersikap setara dengan perintang yang dieksploitasi dalam pelbagai litar bersepadu. Pada mulanya, ini mungkin kelihatan pelik, seperti rangkaian kapasitor beralih pada umumnya memerlukan sekurang-kurangnya dua transistor menukar dan dua fasa, jam tidak bertindih (sebagai tambahan kepada kapasitor itu sendiri) untuk berfungsi, yang seolah-olah seperti banyak litar persisian berbanding dengan satu perintang. Apakah kelebihan yang mungkin ada untuk menggunakan rangkaian kapasitor beralih dalam litar bersepadu bukannya perintang? Sokong jawapan anda dengan penyelidikan, jika boleh.

Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

Rangkaian kapasitor beralih tidak hanya bersamaan dengan resistor, mereka adalah resistor bersamaan yang berubah - ubah . Juga, rangkaian ini sebenarnya cenderung lebih kecil daripada perintang litar bersepadu, dan kurang terdedah kepada hanyut.

Terdapat kelebihan lain untuk menukar rangkaian kapasitor, tetapi ini hanya beberapa alasan asas di sebalik kelaziman mereka dalam litar bersepadu moden.

Nota:

Tanyakan kepada pelajar anda untuk menjelaskan mengapa rangkaian kapasitor beralih kurang terdedah kepada hanyut daripada perintang yang dibina pada substrat semikonduktor. Hanya fokus kepada satu sumber hanyut, seperti suhu, untuk mempermudahkan topik. Apakah kesan suhu pada perintang semikonduktor, dan mengapa? Apakah kesan suhu pada kapasitor yang dibina oleh lapisan semikonduktor yang dipisahkan oleh lapisan penebat, dan mengapa? Dengan komponen diskret, kapasitor lebih stabil dari masa ke masa berbanding perintang? Mengapa atau mengapa tidak?

  • ← Lembaran Kerja Sebelumnya

  • Indeks Lembaran Kerja

  • Lembaran kerja seterusnya →