Амплитудное напряжение: Что показывает вольтметр, или математика розетки / Хабр

Комплексные амплитуды, комплексные действующие значения, комплексы действующих значений

Главная
→
Теория электрических цепей
→
Комплексные амплитуды, комплексные действующие значения, комплексы действующих значений

Комплексные амплитуды

Комплексные амплитуды напряжения

U˙m=Umejαu

и тока

I˙m=Imejαi

при анализе установившегося синусоидального режима соответствуют сигналам синусоидальной формы напряжения

u(t) = U_mcos(ωt + α_u)

и тока

i(t) = I_mcos(ωt + α_i).

Комплексные амплитуды  представляют векторами на комплексной плоскости, как комплексное число (рис. 21)

A˙=Aejγ=Acosγ+jAsinγ=a+jb,

где модуль (длина вектора)

A=|A˙|=a2+b2,

фаза

γ=arctgba,

действительная часть комплексного числа

ReA˙=Acosγ=a,

мнимая часть комплексного числа

ImA˙=Asinγ=b,

мнимая единица

j=−1,

здесь

j2=−1,   j⋅(−j)=−j2=−(−1)=1,   1j=jj2=j−1=−j.

Сопряженное комплексное число

A*=Ae−jγ=Acos(−γ)+jAsin(−γ)=Acosγ−jAsinγ=a−jb,

где положительный отсчет угла γ производят против часовой стрелки от «правого горизонта».

Комплексные амплитуды используют при обосновании метода комплексных амплитуд для расчета установившегося синусоидального режима

u(t)=ReU˙mejωt=ReUmejαuejωt=ReUmej(ωt+αu)=Umcos(ωt+αu);i(t)=ReI˙mejωt=ReImejαiejωt=ReImej(ωt+αi)=Imcos(ωt+αi),

где e^jωt – оператор вращения, U˙mejωt,I˙mejωt  – вращающиеся векторы, поскольку их суммарная фаза γ = ωt + α равномерно увеличивается с увеличением времени t.

Комплексные действующие значения или комплексы действующих значений:

комплексное действующее напряжение или комплекс действующего напряжения

U˙=Uejαu=U˙m2=Um2ejαu,

комплексный действующий ток или комплекс действующего тока

I˙=Iejαi=I˙m2=Im2ejαi.

Комплексные амплитуды, 
комплексные действующие значения, 
комплексы действующих значений 

19.08.2016, 16874 просмотра.

Параметры переменного тока и напряжения — Студопедия

Студопедия

Категории

Авто
Автоматизация
Архитектура
Астрономия
Аудит
Биология
Бухгалтерия
Военное дело
Генетика
География
Геология
Государство
Дом
Журналистика и СМИ
Изобретательство
Иностранные языки
Информатика
Искусство
История
Компьютеры
Кулинария
Культура
Лексикология
Литература
Логика
Маркетинг
Математика
Машиностроение
Медицина
Менеджмент
Металлы и Сварка
Механика
Музыка
Население
Образование
Охрана безопасности жизни
Охрана Труда
Педагогика
Политика
Право
Программирование
Производство
Промышленность
Психология
Радио
Регилия
Связь
Социология
Спорт
Стандартизация
Строительство
Технологии
Торговля
Туризм
Физика
Физиология
Философия
Финансы
Химия
Хозяйство
Черчение
Экология
Эконометрика
Экономика
Электроника
Юриспунденкция

Предметы

Авиадвигателестроения

Административное право

Административное право Беларусии

Алгебра

Архитектура

Безопасность жизнедеятельности

Введение в профессию «психолог»

Введение в экономику культуры

Высшая математика

Геология

Геоморфология

Гидрология и гидрометрии

Гидросистемы и гидромашины

История Украины

Культурология

Культурология

Логика

Маркетинг

Машиностроение

Медицинская психология

Менеджмент

Металлы и сварка

Методы и средства измерений

электрических величин

Мировая экономика

Начертательная геометрия

Основы экономической теории

Охрана труда

Пожарная тактика

Процессы и структуры мышления

Профессиональная психология

Психология

Психология менеджмента

Современные фундаментальные и
прикладные исследования

в приборостроении

Социальная психология

Социально-философская проблематика

Социология

Статистика

Теоретические основы информатики

Теория автоматического регулирования

Теория вероятности

Транспортное право

Туроператор

Уголовное право

Уголовный процесс

Управление современным производством

Физика

Физические явления

Философия

Холодильные установки

Экология

Экономика

История экономики

Основы экономики

Экономика предприятия

Экономическая история

Экономическая теория

Экономический анализ

Развитие экономики ЕС

амплитудное, среднее, среднеквадратическое и средневыпрямленное значение. — Студопедия

Уровень переменного напряжения можно определить по амплитудному, среднеквадратическому, среднему или средневыпрямленному значениям. Амплитуда(пиковое значение) Um-наибольшее мгновенное значение напряжения за интервал наблюдения или за период. Измеряемые на практике напряжения могут иметь различный вид, например, форму импульсов, синусоидального или несинусоидального колебаний- суммы синусоиды с постоянной составляющей и т.д. При разнополярных несимметричных кривых формы напряжения различают два амплитудных значения: положительное Um  и отрицательное Um .

Среднее квадратическое значение напряжения есть корень квадратный из среднего квадрата его мгновенного значения за время измерения(за период):

Если периодический сигнал несинусоидален, то квадрат среднего квадратического значения равен сумме квадратов постоянной составляющей и средних квадратических значений гармоник :

= +  + + …

Среднее значение(постоянная составляющая) напряжения равно среднему арифметическому всех мгновенных значений за период :

Средневыпрямленное напряжение определяется как среднее арифметическое абсолютных мгновенных значений за период :

Для напряжения одной полярности среднее и средневыпрямленное значения равны. Для разнополярных напряжений эти значения могут существенно отличаться. Так, для гармонического напряжения .

Чаще измеряют среднее квадратическое изменение напряжения, так как этот параметр связан с мощностью, нагревом, потерями. Однако проще измерить амплитудное или средневыпрямленное значение и произвести пересчёт с применением коэф. Амплитуды Ка и формы Кф : Ка =  ,    Ка =   .

В частности, для синусоидальной (гармонической) формы переменного напряжения : Ка = 1,41; Кф = 1,11.

Значения этих коэффициентов для наиболее употребляемых видов сигналов и соотношения между ними даны в табл., где все напряжения для упрощения обозначены буквой .     

Список параметров напряжения и силы электрического тока — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

В связи с тем, что электрические сигналы представляют собой изменяющиеся во времени величины, в электротехнике и радиоэлектронике используются по необходимости разные способы представлений напряжения и силы электрического тока

Значения переменного напряжения (тока)

Далее для определенности будем говорить большей частью о параметрах напряжения, хотя они справедливы и для токов.

Мгновенное значение

Мгновенное значение — это значение сигнала в определённый момент времени, функцией которого является (  u(t) ,i(t){\displaystyle u(t)~,\quad i(t)}    ).
Мгновенные значения медленно изменяющегося сигнала можно определить с помощью малоинерционного вольтметра постоянного тока, самописца или шлейфового осциллографа, для периодических быстротекущих процессов используется электронно-лучевой или цифровой осциллограф.

Амплитудное значение

• Амплитудное (пиковое) значение, иногда называемое просто «амплитуда» — наибольшее мгновенное значение напряжения или силы тока за период (без учёта знака):

UM=max(|u(t)|) ,IM=max(|i(t)|){\displaystyle U_{M}=\max(|u(t)|)~,\qquad I_{M}=\max(|i(t)|)}

Пиковое значение напряжения измеряется с помощью импульсного вольтметра или осциллографа.

Среднеквадратичное значение

Среднеквадратичное значение (устар. действующее, эффективное) — корень квадратный из среднего значения квадрата напряжения или тока. {2}(t)dt}}}

Среднеквадратичные значения являются самыми распространёнными, так как они наиболее удобны для практических расчётов, поскольку в линейных цепях с чисто активной нагрузкой переменный ток с действующими значениями I{\displaystyle I} и U{\displaystyle U} совершает ту же работу, что и постоянный ток с теми же значениями тока и напряжения. Например, лампа накаливания или кипятильник, включённые в сеть с переменным напряжением с действующим значением 220 В, работают (светят, греют) точно так же, как и будучи подключенными к источнику постоянного напряжения с тем же значением напряжения.

Когда не оговаривают особо, то обычно имеют в виду именно среднеквадратичные значения величины напряжения или силы тока.

В среднеквадратичных значениях проградуированы показывающие устройства большинства вольтметров и амперметров переменного тока, за исключением специальных приборов, однако эти обычные приборы дают правильные показания для среднеквадратических значений только при форме сигнала синусоидальной формы. Некритичны к форме сигнала приборы с термопреобразователем, в которых измеряемый ток или напряжение с помощью нагревателя, представляющим собой активное сопротивление, преобразуется в далее измеряемую температуру, которая и характеризует величину электрического сигнала. Также нечувствительны к форме сигнала специальные устройства, возводящие мгновенное значение сигнала в квадрат с последующим усреднением во времени (с квадратичным детектором) или АЦП, возводящие в входной сигнал в квадрат тоже с усреднением по времени. Квадратный корень из выходного сигнала таких устройств как раз и является среднеквадратическим значением.

Квадрат среднеквадратичного значения напряжения, выраженного в вольтах, численно равен средней рассеиваемой мощности в ваттах на резисторе с сопротивлением 1 Ом.

Среднее значение

Среднее значение (смещение) — постоянная составляющая напряжения или силы тока

U=1T∫0Tu(t)dt ,I=1T∫0Ti(t)dt{\displaystyle U={\frac {1}{T}}\int \limits _{0}^{T}u(t)dt~,\qquad I={\frac {1}{T}}\int \limits _{0}^{T}i(t)dt}

В электротехнике используется редко, но сравнительно часто используется в радиотехнике (ток смещения и напряжение смещения). {T}\mid i(t)\mid dt}

Эффективное напряжение Википедия

В связи с тем, что электрические сигналы представляют собой изменяющиеся во времени величины, в электротехнике и радиоэлектронике используются по необходимости разные способы представлений напряжения и силы электрического тока

Значения переменного напряжения (тока)

Далее для определенности будем говорить большей частью о параметрах напряжения, хотя они справедливы и для токов.

Мгновенное значение

Мгновенное значение — это значение сигнала в определённый момент времени, функцией которого является (  u(t) ,i(t){\displaystyle u(t)~,\quad i(t)}    ).
Мгновенные значения медленно изменяющегося сигнала можно определить с помощью малоинерционного вольтметра постоянного тока, самописца или шлейфового осциллографа, для периодических быстротекущих процессов используется электронно-лучевой или цифровой осциллограф.

Амплитудное значение

• Амплитудное (пиковое) значение, иногда называемое просто «амплитуда» — наибольшее мгновенное значение напряжения или силы тока за период (без учёта знака):

UM=max(|u(t)|) ,IM=max(|i(t)|){\displaystyle U_{M}=\max(|u(t)|)~,\qquad I_{M}=\max(|i(t)|)}

Пиковое значение напряжения измеряется с помощью импульсного вольтметра или осциллографа. {2}(t)dt}}}

Среднеквадратичные значения являются самыми распространёнными, так как они наиболее удобны для практических расчётов, поскольку в линейных цепях с чисто активной нагрузкой переменный ток с действующими значениями I{\displaystyle I} и U{\displaystyle U} совершает ту же работу, что и постоянный ток с теми же значениями тока и напряжения. Например, лампа накаливания или кипятильник, включённые в сеть с переменным напряжением с действующим значением 220 В, работают (светят, греют) точно так же, как и будучи подключенными к источнику постоянного напряжения с тем же значением напряжения.

Когда не оговаривают особо, то обычно имеют в виду именно среднеквадратичные значения величины напряжения или силы тока.

В среднеквадратичных значениях проградуированы показывающие устройства большинства вольтметров и амперметров переменного тока, за исключением специальных приборов, однако эти обычные приборы дают правильные показания для среднеквадратических значений только при форме сигнала синусоидальной формы. Некритичны к форме сигнала приборы с термопреобразователем, в которых измеряемый ток или напряжение с помощью нагревателя, представляющим собой активное сопротивление, преобразуется в далее измеряемую температуру, которая и характеризует величину электрического сигнала. Также нечувствительны к форме сигнала специальные устройства, возводящие мгновенное значение сигнала в квадрат с последующим усреднением во времени (с квадратичным детектором) или АЦП, возводящие в входной сигнал в квадрат тоже с усреднением по времени. Квадратный корень из выходного сигнала таких устройств как раз и является среднеквадратическим значением.

Квадрат среднеквадратичного значения напряжения, выраженного в вольтах, численно равен средней рассеиваемой мощности в ваттах на резисторе с сопротивлением 1 Ом.

Среднее значение

Среднее значение (смещение) — постоянная составляющая напряжения или силы тока

U=1T∫0Tu(t)dt ,I=1T∫0Ti(t)dt{\displaystyle U={\frac {1}{T}}\int \limits _{0}^{T}u(t)dt~,\qquad I={\frac {1}{T}}\int \limits _{0}^{T}i(t)dt}

В электротехнике используется редко, но сравнительно часто используется в радиотехнике (ток смещения и напряжение смещения). {T}\mid i(t)\mid dt}

На практике используется редко, однако большинство измерительных приборов переменного тока — магнитоэлектрической системы (т. е., в которых ток перед измерением выпрямляется) фактически измеряют именно эту величину, хотя их шкала проградуирована по среднеквадратичным значениям для синусоидальной формы сигнала. Если сигнал заметно отличается от синусоидального, показания приборов магнитоэлектрической системы имеют систематическую ошибку. В отличие от приборов магнитоэлектрической системы, приборы электромагнитной, электродинамической и тепловой систем измерения всегда реагируют на действующее значение, независимо от формы электрического тока.

Геометрически это сумма площадей, ограниченная кривой над и под осью времени за время измерения. При однополярном измеряемом напряжении среднее и средневыпрямленное значения равны между собой.

Коэффициенты пересчёта значений

• Коэффициент формы кривой переменного напряжения (тока) — величина, равная отношению действующего значения периодического напряжения (тока) к его средневыпрямленному значению. Для синусоидального напряжения (тока) равен π/22≈1.11{\displaystyle {\frac {{\pi }/2}{\sqrt {2}}}\approx 1.11}.

• Коэффициент амплитуды кривой переменного напряжения (тока) — величина, равная отношению максимального по модулю за период значения напряжения (тока) к действующему значению периодического напряжения (тока). Для синусоидального напряжения (тока) равен 2{\displaystyle {\sqrt {2}}}.

Параметры постоянного тока

• Размах пульсации напряжения (тока) — величина, равная разности между наибольшим и наименьшим значениями пульсирующего напряжения (тока) за определенный интервал времени

• Коэффициент пульсации напряжения (тока) — величина, равная отношению наибольшего значения переменной составляющей пульсирующего напряжения (тока) к его постоянной составляющей.
  • Коэффициент пульсации напряжения (тока) по действующему значению — величина, равная отношению действующего значения переменной составляющей пульсирующего напряжения (тока) к его постоянной составляющей
  • Коэффициент пульсации напряжения (тока) пo среднему значению — величина, равная отношению среднего значения переменной составляющей пульсирующего напряжения (тока) к его постоянной составляющей

Параметры пульсации определяются по осциллографу, либо с помощью двух вольтметров или амперметров (постоянного и переменного тока)

Литература и документация

Литература

Нормативно-техническая документация

Ссылки

См. также

Переменный ток, генератор переменного тока. Действующее, амплитудное значения напряжения, силы тока в цепи. Тесты онлайн, куосы по физике, подготовка к ЦТ

Всего вопросов: 10

Вопрос 1. Вольтметр переменного тока, включенный в сеть, показывает напряжение 220 В. Найдите максимальное значение напряжения U_max в сети.

Вопрос 2. Напряжение в цепи переменного тока изменяется по закону . Чему равно амплитудное значение напряжения?

Вопрос 3. Зависимость силы тока от времени в цепи имеет вид . Чему равна частота колебаний тока в цепи?

Вопрос 4. Плоский прямоугольный проводящий виток площадью вращается в однородном магнитном поле, совершая 5 об/с вокруг оси, перпендикулярной полю. Как изменяется ЭДС индукции в витке с течением времени, если индукция магнитного поля Тл и в начальный момент времени плоскость витка перпендикулярна магнитному полю? Рассчитайте амплитудное значение ЭДС в витке.

Вопрос 5. Рамка вращается в однородном магнитном поле. ЭДС индукции, возникающая в рамке, изменяется по закону . Определите время одного оборота рамки.

Вопрос 6. Прямоугольная рамка площадью 100 см² имеет витки в количестве 200 и вращается в однородном магнитном поле, модуль индукции которого 0,02 Тл. Ось вращения рамки перпендикулярна силовым линиям магнитного поля. Амплитудное значение ЭДС индукции, возникающей в рамке, равно 0,5 В. Определите циклическую частоту вращения рамки.

Вопрос 7. Полагая, что напряжение в сети изменяется по закону синуса и начальная фаза , определите мгновенное значение напряжения в момент времени с. Действующее напряжение 220 В, частота 50 Гц.

Вопрос 8. В начальный момент времени напряжение на клеммах генератора переменного тока равно амплитудному, U₀=100 В. Частота переменного тока 50 Гц. Определите напряжение на клеммах генератора через с.

Вопрос 9. Определите количество теплоты (кДж), которое выделяется за время 10 мин в кипятильнике сопротивлением 110 Ом, включенном в сеть переменного тока, напряжение в которой изменяется по закону

Вопрос 10. Квадратная рамка со стороной 10 см вращается в однородном магнитном поле с угловой скоростью 300 рад/с. Модуль индукции магнитного поля 20 мТл. Сопротивление рамки 10 Ом, ось вращения рамки перпендикулярна к линиям магнитной индукции. Определите максимальную силу тока (мА) в рамке.

Простой пиковый детектор для обнаружения и удержания уровней пикового напряжения

В этой статье мы узнаем о схеме пикового детектора, ее принципе работы и о том, как реализовать ее в схемах, управляемых хлопком, для освещения светодиода в ответ на звук хлопка.

Что такое пиковый детектор

Пиковый детектор — это схема, которая удерживает максимальное значение амплитуды сигнала. Если сигнал быстро меняется, и мы не можем его измерить, мы выбираем пиковый детектор. Эта схема удерживает максимальное значение амплитуды в течение короткого периода времени, чтобы мы могли его измерить.

Есть много способов сделать это, и они часто используются во многих областях электроники, где быстрое измерение нецелесообразно.

Например, если взять термометр с тепловым пистолетом в качестве примера, где температура объекта может быстро меняться в некоторых ситуациях, пиковое значение температуры и текущее значение температуры отображаются одновременно, чтобы пользователь мог получить представление об объекте.

Точно так же в электронике есть много ситуаций, когда нам может потребоваться измерение пиковых сигналов.

Как это работает?

Здесь мы увидим простую схему пикового детектора, которая состоит из одного диода, одного конденсатора и одного резистора.

Диод пропускает ток в одном направлении, а именно заряжает конденсатор.

Когда входной сигнал падает, конденсатор сохраняет значение в течение короткого периода, что дает некоторое время для измерения пика. Здесь короткий период может составлять от нескольких миллисекунд до нескольких секунд.

Значения необходимо время от времени обновлять, чтобы можно было сохранить новые значения.Для этого нам нужно разрядить конденсатор. Сливной резистор подключен параллельно конденсатору, который разряжается.

Время разряда конденсатора можно рассчитать по следующей формуле:

T = 5 x C x R

Где T — время в секундах

C — емкость в Фарадах

R — сопротивление в Ом

Схема датчика хлопка:

Здесь мы реализуем пиковый детектор в схеме датчика хлопка. Эта схема реагирует на громкие звуки, такие как хлопок.

В этой схеме три каскада: микрофонный усилитель, пиковый детектор и схема операционного усилителя, которая обнаруживает пик.

Звук преобразуется микрофоном в электрический сигнал, который усиливается операционным усилителем. Усиленный сигнал поступает в схему пикового детектора и заряжает конденсатор. Пиковое значение, хранящееся в конденсаторе, становится пиковым входом минус 0,7 В для кремниевых диодов, поскольку на диоде всегда будет падение напряжения.

Значение, хранящееся в конденсаторе, распознается схемой компаратора операционного усилителя.

Как только пиковое значение становится выше опорного напряжения светодиод загорается.

Как только конденсатор разряжается ниже опорного напряжения светодиод выключается.

Итак, какова роль пикового детектора в этой схеме? Что ж, он удерживает сигнал хлопка в течение нескольких 100 миллисекунд, что помогло светодиоду оставаться включенным в течение нескольких 100 миллисекунд. Если вы хотите, чтобы светодиод светился дольше, это можно сделать, увеличивая значения емкости и резистора.

О Swagatam

Я инженер-электронщик (dipIETE), любитель, изобретатель, разработчик схем / печатных плат, производитель.Я также являюсь основателем веб-сайта: https://www.homemade-circuits.com/, где я люблю делиться своими инновационными идеями и руководствами по схемам.
Если у вас есть какие-либо вопросы, связанные со схемой, вы можете взаимодействовать с ними через комментарии, я буду очень рад помочь!

Синусоидальные напряжения — Vpk, Vpk-pk, Vavg, Vrms

Синусоида определяется тригонометрической функцией синуса. При построении графика зависимости напряжения (В) от фазы (θ)
он похож на рисунок справа. Форма волны повторяется каждые 2p
радиан (360 °) и симметрично относительно оси напряжения (при отсутствии смещения постоянного тока).Выставление напряжения и тока
циклическое поведение называется чередованием; то есть переменного тока (AC). Здесь показан один полный цикл. Базовый
уравнение для синусоиды выглядит следующим образом:

Существует несколько способов определения амплитуды синусоиды, обычно как пикового напряжения (V _pk
или V _p ), размах напряжения (V _pp или V _p-p или V _pkpk или V _pk-pk ),
среднее напряжение (В _{в среднем} или В _{в среднем} ) и среднеквадратичное напряжение (В _{среднеквадратичное значение} ).Пиковое напряжение
и размах напряжения очевидны, глядя на приведенный выше график. Среднеквадратичное и среднее напряжение не так
очевидный.

См. Также напряжения треугольной волны и
Страницы напряжения прямоугольной волны.

Среднеквадратичное напряжение (В _{действующее значение} )

В качестве
из названия следует, что V _rms рассчитывается путем извлечения квадратного корня из среднего среднего квадрата
напряжение в правильно выбранном интервале.В случае симметричных сигналов, таких как синусоида, четверть цикла
точно отображает все четыре четверти цикла сигнала. Поэтому приемлемо выбрать первую четверть.
цикл, который идет от 0 радиан (0 °) до p / 2 радиан
(90 °).

В _{среднеквадратичное значение} — это значение, отображаемое подавляющим большинством вольтметров переменного тока. Это значение, которое при применении
через сопротивление, производит такое же количество тепла, что и напряжение постоянного тока той же величины.
производить.Например, при подаче 1 В на резистор 1 Ом выделяется 1 Вт тепла. Применяется синусоида 1 В _{среднеквадратичное значение}
через резистор 1 Ом также выделяет 1 Вт тепла. Эта синусоида 1 В _{среднеквадратичного значения} имеет пиковое напряжение √2 В (≈1,414
В) и размахом напряжения 2√2 В (≈2,828 В).

Поскольку найти полный вывод формул для среднеквадратичного (V _rms ) напряжения затруднительно,
здесь сделано для вас.

Итак,

≈ 0.707 В _pk , где

= 0,70710678118654752440084436210485

Среднее напряжение (В _ср. )

Как следует из названия, V _avg рассчитывается путем взятия среднего значения напряжения в соответственно выбранном
интервал. В случае симметричных сигналов, таких как синусоида, четверть цикла точно представляет все четыре четверти
циклы формы волны. Следовательно, приемлемо выбрать цикл первой четверти, который начинается с 0 радиан (0 °).
через p / 2 радиана (90 °).

Как и в случае формулы V _rms , здесь также приводится полный вывод для формулы V _avg .

Итак,
≈ 0,636 В _pk, где

= 0,63661977236758134307553505349006

* Я понятия не имею, почему мы пишем «Sinewave», а не «Trianglewave» и «Squarewave».»

AN014 — Цепи обнаружения пиков

AN014 — Цепи обнаружения пиков

Род Эллиотт (ESP)

Прил. Индекс нот
Основной индекс

Цепи обнаружения пиков
Прецизионные выпрямители

обсуждались в AN001, и вот еще одна общая схема, используемая для обнаружения пика формы сигнала переменного тока.Если пиковое обнаружение должно работать как на положительном, так и на отрицательном полупериоде (а они могут сильно отличаться), перед пиковым детектором используется прецизионный выпрямитель. Обычно это необходимо, когда сигнал асимметричный, что очень часто бывает со звуковыми сигналами. Все схемы, показанные здесь, работают только с положительным пиком .

Пиковые детекторы бывают разных типов, от очень простых до довольно сложных. Все зависит от приложения и от того, как долго должно сохраняться пиковое значение.В некоторых случаях это просто вопрос использования резистора (или стока тока) для разряда конденсатора, который сохраняет пиковое значение, но в некоторых случаях значение должно сохраняться в течение значительного периода с очень низким спадом (медленный разряд конденсатора). , и тогда необходим отдельный разрядный контур. Это может быть электронный переключатель или ручная кнопка, в зависимости от области применения.

Наиболее вероятный вопрос — «почему?». Это хороший вопрос, потому что большинству энтузиастов электроники, возможно, никогда не понадобится пиковый детектор или они уже использовали его, не осознавая, что они это сделали.Пиковые детекторы часто используются для регистрации переходных процессов, которые в противном случае могут остаться незамеченными, но могут вызвать сбои в работе цепи. Они также распространены в системах обработки звука, в частности в схемах ограничителя звуковых пиков.

Они также могут использоваться для захвата мгновенных пиков напряжения от усилителя мощности и могут использоваться для анализа («достаточно ли мощен мой усилитель?») Или для активации индикатора ограничения. Их можно использовать в энергетике (например, в цепях с питанием от сети) для контроля наихудшего броска тока источника питания или для проверки того, превышают ли переходные процессы сетевого напряжения заданный порог.

Итак, хотя многим читателям он никогда не понадобится, другие сразу же увидят применение пикового детектора. Цель этого примечания к применению — предоставить некоторую информацию, чтобы можно было определить оптимальную схему для любого заданного требования. Как и другие приложения ESP. примечания, это не предназначено как статья проекта. Схемы будут работать по назначению, но потребуются изменения, чтобы обеспечить соответствие схемы вашим потребностям.

Несмотря на то, что в сети есть много схем, которые претендуют на звание пиковых детекторов, многие (если не большинство) являются примитивными и никоим образом не могут считаться прецизионными схемами.Это нормально для некритичных приложений, но бесполезно, если вам действительно нужна схема с предсказуемой производительностью и выходом, который точно представляет пики входной формы волны.

Накопительный конденсатор

Есть много вещей, которые необходимо учитывать при построении схем, которые удерживают напряжение более нескольких миллисекунд. Если такие вещи, как утечка на поверхности печатной платы и / или утечка конденсатора, редко являются проблемой со звуком, они становятся критическими, когда напряжение хранится в конденсаторе .Обычно нельзя использовать высокие значения, поскольку для их зарядки требуется слишком много энергии, а характеристики конденсаторов с высокими значениями в значительной степени несовместимы с требованиями пиковых детекторов или схем выборки и хранения, которые во многих отношениях схожи.

В случаях, когда пиковое значение необходимо удерживать даже в течение нескольких секунд, необходимо соблюдать особую осторожность, чтобы минимизировать разряд конденсатора. Даже поверхностного сопротивления печатной платы достаточно для разрядки конденсатора за определенное время.Например, постоянная времени конденсатора 100 нФ и 1 ГОм (1000 МОм) составляет 100 секунд или 1,67 минуты. В это время напряжение упало до 0,632 (63,2%) от исходного сохраненного значения. Эта комбинация подходит только для времени задержки около 4 секунд при точности 2%. Если вы используете конденсатор на 10 нФ, это время сокращается до 10 секунд и 400 мс соответственно.

Нам также нужно быть осторожными с конденсатором типа типа , который используется для хранения пикового напряжения. Диэлектрическое поглощение (также известное как «замачивание») не является проблемой для аудиосхемы (несмотря на то, что вы можете увидеть в другом месте), но оно критично для пиковых детекторов, схем выборки и хранения и везде, где должно сохраняться точное и постоянное напряжение . Крышки из полиэстера подходят для этой роли для некритических применений, но полипропилен является самой дешевой доступной альтернативой очень дорогим / экзотическим диэлектрикам. Подробнее об этом свойстве конденсаторов читайте в статье о конденсаторах на этом сайте. Диэлектрическое поглощение проявляется как «отскок» напряжения после разряда конденсатора, что может маскировать сигналы низкого уровня, делая их обнаружение ненадежным или бесполезным.

Тип конденсатора	Диэлектрическое поглощение
Воздушные и вакуумные конденсаторы	Не измеряется
Керамические конденсаторы класса 1, NP0	0.6%
Керамические конденсаторы класса 2, X7R	2,5%
Пленочные конденсаторы из полистирола (PS)	0,02% *
Пленочные конденсаторы из политетрафторэтилена (PTFE / тефлон)	0,02% *
Конденсаторы с полипропиленовой пленкой (PP)	от 0,05 до 0,1%
Конденсаторы с полиэфирной пленкой (ПЭТ)	от 0,2 до 0,5%
Пленочные конденсаторы на основе полифениленсульфида (PPS)	0. 05 до 0,1%
Пленочные конденсаторы из полиэтиленнафталата (PEN)	от 1,0 до 1,2%
Танталовые электролитические конденсаторы (твердый электролит)	от 2 до 3%
Алюминиевые электролитические конденсаторы (жидкий электролит)	от 10 до 15%

Таблица 1 — Диэлектрическая абсорбция обычных конденсаторов

Некоторые распространенные типы конденсаторов указаны выше ^[1] . Те, которые обозначены как * , не проверены, так как может быть обнаружено мало информации.Когда-то вы могли купить колпачки из полистирола высокой стоимости (100 нФ и более), но, к сожалению, они больше не производятся, кроме как по специальному заказу для очень высоких требований. Полистирол имеет очень низкую устойчивость к температуре, и они намного больше, чем другие типы, при той же стоимости. По-прежнему доступны крышки из полистирола с низким значением (до 10 нФ). ПТФЭ (тефлон) тоже должен быть хорошим, но мне удалось найти мало информации.

Емкость конденсатора важна. Если он составляет около 10 нФ, легко заряжать быстро даже от операционных усилителей с низким выходным током, но время удержания ограничено из-за сопротивления утечке.Колпачок 100 нФ требует в 10 раз больше энергии для зарядки до того же напряжения, поэтому ток может быть ограничен операционным усилителем, если должен быть зафиксирован очень быстрый переходный процесс, поскольку операционный усилитель может ограничивать ток и не иметь возможности заряжать конденсатор до пиковое значение в высокоскоростной цепи. Для длительного времени выдержки C1 должен быть полипропиленом, так как он имеет более высокое диэлектрическое сопротивление, чем майлар (полиэстер / ПЭТ).

Простой диодный пиковый детектор

Диод является основой для всех пиковых детекторов, но если он используется отдельно, прямое напряжение означает, что любой сигнал ниже 0.7V не контролируются. «Активный диод» (использующий операционный усилитель), используемый в прецизионных выпрямителях, решает эту проблему, но есть много других соображений. Может показаться целесообразным использовать диоды Шоттки для уменьшения прямого напряжения, но они имеют сравнительно высокую утечку и непригодны, хотя диоды Шоттки с «низкой утечкой» могут подойти для схем, в которых падение сохраненного напряжения не является проблемой. Почтенный 1N4148 имеет номинальный ток обратной утечки 25 нА при 20 В, эквивалентное сопротивление всего 800 МОм.Хотя это может звучать как высокое сопротивление, помните, что 100 нФ и 1 ГОм имеют постоянную времени 100 секунд, но напряжение упадет с 5 В до 4,9 В (2%) чуть более чем за 4 секунды.

Это означает, что полное сопротивление должно быть намного выше 1 ГОм, если значение необходимо сохранить более 5 секунд или около того. Напряжение на накопительном конденсаторе нельзя измерить мультиметром, потому что даже цифровой измеритель с сопротивлением 10 МОм разрядит конденсатор за несколько миллисекунд .При нагрузке 10 мегабайт конденсатор на 100 нФ разряжается с 5 В до 4,9 В всего за 20 мс. Операционный усилитель необходимо использовать в качестве буфера для измерения или обработки сохраненного пикового напряжения. Операционные усилители с полевым транзистором необходимы везде, кроме самых элементарных схем. На следующей схеме источник сигнала должен иметь низкий импеданс, поскольку он должен заряжать C1 напрямую через D1.

Рисунок 1 — Простой диодный детектор

Простой детектор, вероятно, подойдет, если напряжения достаточно высокие, а ошибка проводимости диода мала по сравнению с измеряемым напряжением.Однако напряжение не должно превышать входного диапазона операционного усилителя, так что обычно это означает максимум около 12 В (при условии питания ± 15 В). К сожалению, это редко вариант, кроме очень простых схем, где точность не является серьезной проблемой.

Операционный усилитель должен быть входным полевым или MOSFET (CMOS), чтобы входной ток не разряжал (или не заряжал ! ) накопительный конденсатор. Все операционные усилители с входами BJT (биполярные транзисторы) не подходят в качестве буфера.Известный TL071 имеет заявленное входное сопротивление 1 ТОм (10 ¹² Ом), что намного выше, чем у любого операционного усилителя на биполярных транзисторах. КМОП операционные усилители, такие как TLC277, предлагают то же самое, и будет сложно улучшить это без использования специализированных (и дорогих) деталей. Импедансы на этом уровне требуют узкоспециализированной компоновки печатной платы, чтобы минимизировать паразитные утечки, которые могут быть намного больше, чем входы операционного усилителя.

Цепь сбрасывается нажатием кнопки. Это также можно сделать с помощью электронного переключателя, но необходимо учитывать его сопротивление утечке.Переключатель CMOS (например, 4066) подойдет для большинства схем, но они имеют ограниченный диапазон напряжений и сопротивление во включенном состоянии довольно высокое, поэтому сброс необходимо активировать на несколько миллисекунд, чтобы обеспечить полный разряд C1. . Утверждается, что ток утечки 4066 составляет 0,1 нА при 10 В (номинал), что соответствует сопротивлению около 100 ГОм. В этой (и многих других) схемах обнаружения пиков ограничением является диод. Предлагаемый BAS45A является гораздо лучшей альтернативой, чем обычный 1N4148, с эффективным обратным сопротивлением 75 ГОм при 125 В.

Я провел несколько тестов на диоде 1N4148 с обратным напряжением 10 В.При низком уровне освещенности (ниже 10 люкс) сопротивление составляло 10 ГОм, а при моем обычном настольном уровне освещения (1200 люкс) оно упало до 2,5 ГОм. Когда уровень освещенности был увеличен до 18 000 люкс, сопротивление упало до 670 МОм. Для сравнения, осенний прямой солнечный свет (в Австралии) составил более 80 000 люкс в 14:00 в день, когда я проводил тесты. Philips / NXP оценивает ток утечки BAS45A при уровне освещенности 100 люкс или меньше.

Вы можете использовать обычный цифровой мультиметр 10 МОм для простого измерения очень высоких сопротивлений.Подключите измеритель последовательно к DUT (тестируемому устройству) и подайте подходящее напряжение (скажем, 10 В). Счетчик может показывать 1 В, поэтому ток через устройство рассчитывается по закону Ома. 1 В на 10 МОм — это 100 нА, поэтому сопротивление внешнего устройства можно снова определить с помощью закона Ома. Если напряжение питания составляло 10 В, на ИУ должно быть 9 В с током 100 нА. Следовательно, сопротивление ИУ составляет 90 МОм.

Активный диодный пиковый детектор

Активный диод использует операционный усилитель для эффективного устранения смещения диода.Однако, если не принять меры, схема имеет нежелательную характеристику, так как используемый операционный усилитель будет переключаться на отрицательную шину питания, когда входное напряжение ниже, чем напряжение, накопленное на конденсаторе. Это имеет два нежелательных эффекта. Во-первых, это означает, что операционный усилитель должен качаться как минимум на половину общего напряжения питания, прежде чем он сможет что-либо сделать (например, перезарядить удерживающий конденсатор), и это серьезно ограничивает высокочастотный отклик.

Во-вторых, это означает, что обратное напряжение на диоде намного выше необходимого, что увеличивает ток утечки.Это может быть не очень много, но мы обычно стремимся к наименьшей возможной утечке, чтобы можно было продлить время выдержки. Высокая утечка в любом месте означает, что время простоя значительно сокращается. Во многих случаях необходимо использовать конденсатор меньшего размера, чем можно было бы представить, особенно если необходимо улавливать очень быстрые переходные процессы. Следующая схема предполагает напряжение питания ± 15 В.

Рисунок 2 — Активный диодный детектор

В показанной схеме активного диода используется диод внутри контура обратной связи операционного усилителя для эффективного удаления 0. Смещение 7 В, которое происходит с простой версией, показанной выше. Это обычная схема, и она достаточно хорошо работает на практике, если длительное время задержки и высокая скорость не важны. В некоторых случаях рекомендуется включить резистор последовательно с C1, чтобы ограничить выбросы, которые могут произойти, если входной сигнал слишком высок для операционного усилителя. Это означает, что операционный усилитель работает без обратной связи (без обратной связи) до тех пор, пока выход не «догонит» вход. Это может быть очень реальной проблемой для измерительных схем, где входные сигналы могут быть намного быстрее, чем любой аудиосигнал.

В схеме все еще есть некоторые незначительные проблемы, главными из которых являются ограниченный ток заряда конденсатора и тот факт, что скорость ограничена, потому что выход U1 колеблется близко к отрицательной шине питания, когда входное напряжение отрицательное. Скорость нарастания операционного усилителя означает, что выходному сигналу требуется время для перехода от -13 В или около того до пикового напряжения, плюс падение напряжения на диодах. Операционный усилитель работает с разомкнутым контуром до тех пор, пока выходное напряжение не станет таким же, как мгновенное (положительное) значение на входе.

Улучшенный активный диодный пиковый детектор

Эта версия включает все необходимые дополнения для увеличения скорости и минимизации обратного тока диода. Колпачок заряжается прямо с выхода операционного усилителя. Это может обеспечить достаточный ток, если только входной сигнал не будет особенно быстрым. В большинстве случаев это будет наиболее подходящая версия пикового детектора для сигналов звуковой частоты, и когда время задержки не должно быть больше пары секунд. U1 не обязательно должен быть типом входа полевого транзистора, потому что его вход не подключен к крышке накопителя.

Рисунок 3 — Улучшенный активный диодный пиковый детектор

Дополнительный диод (D2) гарантирует, что выходное напряжение операционного усилителя не может опускаться ниже отрицательного входного напряжения (плюс падение напряжения на диоде), что увеличивает быстродействие детектора и минимизирует напряжение на диоде обнаружения пиков (D1). Это помогает уменьшить обратный ток утечки, но не является лекарством. Последний элемент схемы — это R3 и D3, которые устанавливают детекторный диод. В течение периода удержания одинаковое напряжение присутствует на обоих концах D1.В этом случае утечки через диод не должно быть, и 1N4148 будет работать отлично даже после нескольких секунд задержки.

Значения R2 и R3 не совсем произвольны. Показанные 10k хорошо работают в симуляциях, но в реальной схеме может потребоваться их корректировка для достижения максимальной точности. Эффекты довольно тонкие, поэтому (например) увеличение R2 до 100k означает, что выходной сигнал будет немного больше, чем входной пик, а 10k означает, что это такое же количество ниже.10k — довольно обобщенное значение (и хорошее круглое число), но 47k оказались «идеальными» (по крайней мере, при моделировании), но различия составляют доли 1% и их будет чрезвычайно трудно измерить. Значение R3 мало отличается, но для удобства было выбрано 10к.

Обратите внимание, что поскольку два операционных усилителя находятся в контуре обратной связи (через R2), необходимо учитывать вероятность переходного выброса, если входной сигнал имеет очень быстрое время нарастания. Если это ожидается, вы можете использовать резистор (R4) последовательно с C1.Значение необходимо выбрать, чтобы вы могли улавливать ожидаемые импульсы, но минимизировать выбросы. Показанная комбинация (10 нФ и 100 Ом) позволяет точно улавливать импульс длительностью 5 мкс или более (лучше 1%), но это зависит от используемых операционных усилителей и должно быть оптимизировано в соответствии с вашими потребностями. Если U2 может обеспечивать ток, значение R2 можно уменьшить для повышения скорости (менее 2,2 кОм, вероятно, не рекомендуется). Ожидать предельной точности на высоких частотах нереально, если не используются очень быстрые операционные усилители.

Далее показан идеализированный случай формы выходного сигнала. Реакция схемы достаточно быстрая, чтобы напряжение достигло пикового значения в первом цикле. Прямой привод от выхода операционного усилителя можно использовать только на относительно низких частотах (обычно синусоида ниже 10 кГц или импульсная волна с временем нарастания менее 15 мкс). Сильноточный. Схема высокоскоростной зарядки показана на рисунке 5, если требуется большой накопитель или когда необходимо очень высокоскоростное пиковое обнаружение.Операционный усилитель с высокой скоростью нарастания напряжения потребуется для U1, чтобы обеспечить высокую скорость работы.

Рисунок 4 — Форма сигнала обнаружения пиков

Имеется 3 пакета синусоидального сигнала 1 кГц, каждый из которых длится 2 мс (2 цикла), и каждый из них имеет паузу в 3 мс перед следующим входным пакетом. Отрицательные значения не обрабатываются. Входы имеют пиковое значение 100 мВ, 1 В и 2 В. Вы не ожидаете, что сохраненное напряжение изменится во время промежутка (нет сигнала), но моделирование показывает, что есть очень небольшое падение напряжения в течение периода, когда нет сигнала.Это всего лишь около 30 мкВ от входа 1 В, и это можно игнорировать. Естественно, если заряд хранится дольше, напряжение будет падать дальше.

На основе моделирования, которое включает утечки диодов и операционных усилителей, но не конденсаторов, печатных плат или переключателей , пик 2 В, сохраняемый конденсатором 10 нФ, упадет менее чем на 10 мВ за период 2 секунды. При тщательном проектировании это должно быть реализовано на практике. Это общая точность чуть менее 0,5% за время выдержки в 2 секунды. Конденсатор большего размера (например,грамм. 100 нФ) можно использовать для улучшения этого.

Рисунок 5 — Детектор сильноточных пиковых значений

Могут быть случаи, когда вам потребуется обеспечить высокий зарядный ток конденсатора. Это будет иметь место, если вы пытаетесь поймать очень быстрых переходных процессов, или если ограничение памяти должно быть намного больше обычного, чтобы получить длительное время удержания. Добавление транзистора позволяет пиковому току в C1 быть намного больше, чем может обеспечить большинство операционных усилителей. Диод (D3) необходим, потому что без него переход база-эмиттер транзистора может быть вынужден перейти в обратный пробой.

В большинстве случаев транзистор не требуется, даже при относительно больших значениях C1. Однако схема будет ограничена только низкочастотной работой, с типичным верхним пределом синусоиды около 1-10 кГц, в зависимости от размера конденсатора. Форма выходного сигнала не меняется с транзистором или без него, но R4 необходимо выбирать осторожно, чтобы гарантировать минимальное перерегулирование. Обычно следует ожидать точности около 1% или выше, но это означает, что необходим оптимальный выбор компонентов и множество тестов для проверки производительности.

Обратите внимание, что точка соединения C1, D1, U2 _{+ In} и переключателя сброса должна иметь либо защитное кольцо печатной платы, подключенное к U2 _Out , либо быть соединенным в воздухе для минимизации поверхностной утечки. В листе данных ^[3] операционного усилителя LF13741 BiFET есть информация о том, как добавить защитное кольцо, если вы не знаете, что это такое и как это сделать.

Заключение

Не каждый день вам понадобится пиковый детектор, который может сохранять пиковое напряжение, зафиксированное в течение длительного периода.В большинстве случаев схема, показанная на рисунке 1, может быть всем, что необходимо, и хотя она имеет смещение 700 мВ, это часто не имеет значения. Все остальные схемы имеют лучшие характеристики, и версии, показанной на рисунке 3, достаточно для подавляющего большинства прецизионных приложений. Во всех случаях вам нужно будет убедиться, что схема работает надлежащим образом для ваших нужд, и может потребоваться прецизионный выпрямитель перед пиковым детектором для асимметричных (или неизвестных) сигналов.

Там, где требуются входные операционные усилители на полевых транзисторах, TL071 рекомендуется для большинства низкоскоростных приложений, так как его трудно превзойти, не потратив намного больше на прецизионную деталь.Вы должны знать, что все операционные усилители имеют некоторое входное смещение постоянного тока, и для высокой точности необходимо будет использовать операционные усилители, которые предоставляют возможность нулевого смещения. Например, это доступно в TL071, но не в TL072. В техническом описании выбранного операционного усилителя будет подробно описано, как подключить нулевое смещение. В большинстве случаев операционные усилители с нулевым смещением являются однотипными, хотя некоторые 14-контактные сдвоенные операционные усилители также обеспечивают соединения.

Во всех показанных примерах время «атаки» (время, необходимое для зарядки C1) близко к мгновенному (если позволяет операционный усилитель), но это не всегда желательно.Если требуется более медленное время атаки, резистор (R4), включенный последовательно с C1, как показано на рисунках 3 и 5, может быть увеличен, чтобы снизить скорость заряда. Для входных сигналов с очень коротким временем нарастания R4 необходим для минимизации перерегулирования, которое может привести к превышению сохраненного значения фактического пикового значения на 5-10% или более. Значение резистора необходимо выбирать в соответствии с вашими конкретными требованиями, и вы можете использовать потенциометр (или подстроечный резистор), чтобы настроить его на оптимальное время атаки. Выброс вызван конечной скоростью операционных усилителей, находящихся в контуре обратной связи.

Разрядный резистор не показан, потому что эти схемы представляют собой настоящие пиковые детекторы с намеренно длительным временем удержания. Если требуется определенное падение напряжения, вместо кнопки «Сброс» (или параллельно с ней) устанавливается резистор. Значение зависит от вашего приложения. Постоянную времени можно вычислить как для атаки, так и для затухания, используя стандартную формулу …

t = R × C, где t — время в секундах, R — сопротивление в омах, а C — емкость в фарадах.

Помните, что 1 «постоянная времени» означает, что напряжение выросло до 63.2% от максимума, или упали до 36,8% от пика. Чтобы упростить работу, используйте сопротивление в мегомах и емкость в микрофарадах. Это даст вам ответ за секунды. Например, 1 МОм и 220 нФ (0,22 мкФ) имеют постоянную времени 220 мс. В некоторых случаях необходимое сопротивление резистора может быть очень большим (от 10 МОм до 1 ГОм или более). В этом случае обычно лучше увеличить значение C1, чтобы можно было использовать более низкое сопротивление резистора.

Как и все примечания по применению на сайте ESP, они предназначены для того, чтобы предоставить вам основы, предупредить вас о потенциальных проблемах и дать вам отправную точку для дальнейшего исследования.Это не строительные проекты, поэтому типы операционных усилителей (и номера выводов) не показаны, как и источники питания или крышки байпаса источника питания. Последние необходимы в любой реальной схеме, и их значение зависит от требований, предъявляемых к электронике.

Ссылки

1. Диэлектрическая абсорбция — Википедия
2. Моделирование диэлектрической абсорбции в конденсаторах — Кен Кундерт
3. LF13741 Лист данных операционного усилителя BiFET

Прил.Индекс нот
Основной указатель

Уведомление об авторских правах. Эта статья, включая, но не ограничиваясь, весь текст и диаграммы, является интеллектуальной собственностью Рода Эллиотта и защищена авторским правом © 2017. Воспроизведение или повторная публикация любыми способами, электронными, механическими или электромеханическими, строго запрещены. в соответствии с международными законами об авторском праве. alexxlab Посмотреть все записи автора alexxlab → Вам также может понравиться Электросети кировского района: Аварийно-диспетчерская служба электросети, кировский и ленинский районы в Ростове-на-Дону 28.01.202115.11.2020 Инструменты для монтажа кабеля: ← Инструменты для монтажа кабелей и окончаний 26.09.197215.01.2022 Замена счетчика электроэнергии за чей счет: Замена электросчетчика с 1 июля 2020 году. 27.05.201928.09.2020 Добавить комментарий Отменить ответ Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены * Комментарий * Имя * Email * Сайт