Основы электроники. Урок №6: Конденсаторы. Часть2

Сегодня мы продолжим знакомство с конденсаторами при помощи новых элементов – переключателей.

Давайте рассмотрим однополюсной трехсекционный переключатель, действие которого мы можем символически представить в следующем виде:

Данный переключатель имеет 4 ножки, одна из которых, как видим на рисунке ниже, находится в стороне от остальных. Эта ножка общая для всех позиций переключателя, поэтому мы отметим ее как „com” (от англ. common – общий). Остальные ножки обозначим соответственно: L1, L2, L3. Движок переключателя может двигаться вправо-влево, принимая 3 положения, которые обозначим как P1, P2, P3.

• позиция P1 соответствует соединению ножки «com» с «L1»
• позиция P2 соответствует соединению ножки «com» с «L2»
• позиция P3 соответствует соединению ножки «com» с «L3»

С этим разобрались. Теперь давайте перейдем к вот такой схеме:

S1 — это ползунковый переключатель. Конденсатор C1, это по-прежнему наш суперконденсатор (0,1Ф на 5,5В ). Наша схема нуждается в соответствующем напряжении 4,5В (батарея В1). Батарея, эта на самом деле кассета с тремя батареями (о том, как „переделать” кассету на 4 батарейки под 4,5 вольта, мы разъяснили в предыдущем уроке).

Светодиод D1 — это красный светодиод (с током 20 мА и напряжением порядка 2,1 В). Номинал резистора R1, как обычно, нужно рассчитать (для упрощения расчета предположим, что схема состоит только из батареи, резистора и светодиода):

R₁ = U / I

R₁ = (U_B1 – U_D1) / I

R₁ = (4,5 В – 2,1 В) / 20мА

R₁ = 2,4 В / 0,020А

R₁ = 120Ом

Так же, как в предыдущем уроке мы будем использовать резистор 220 Ом.

Давайте соберем нашу схему на макетной плате, но так, чтобы переключатель S1 оставался незамкнутым. Как это сделать? Плюс питания размещаем в этой же пятерке контактов, что и ножка „com” переключателя. Конденсатор и резистор подключаем к ножке (L1, L2 или L3), с которым движок переключателя не замкнут. Вот пример того, как это сделать на макетной плате:

Если конденсатор успел накопить достаточно заряда, то, несмотря на отключение батареи от схемы, светодиод какое-то время еще будет гореть, пока не погаснет из-за слишком низкого значения тока в цепи.

Что произойдет, когда движок переключателя переведем из позиции P1 в позицию P2? Мы видим, что светодиод горит, а что происходит с конденсатором? Возьмите вольтметр и через некоторое время измерьте напряжение на конденсаторе. Конечно, вы наверно заметили, что напряжение растет. Из этого следует то, что ток от батареи проходит через переключатель и разделяется – часть течет в цепь с конденсатором, а часть в контур с резистором и светодиодом.

Теперь отключите выключатель S1, перемещая ползунок с позиции P2 в позицию P1 или P3. Светодиод горит до сих пор, а что с напряжением на конденсаторе? Если хотя бы в течение минуты вы делаете измерения мультиметром, заметите, что напряжение на конденсаторе падает. Это означает, что когда мы отключаем источник питания (B1), конденсатор, резистор и светодиод образуют замкнутый контур, в котором течет ток от конденсатора, через резистор, светодиод и возвращается обратно к конденсатору.

Обратите внимание, что протекание тока в схеме с подключенным и отключенным источником напряжения (B1) разное:

До сих пор во всех схемах, в которых участвовал конденсатор, в качестве источника напряжения использовалась кассета с тремя батарейками, которые выдавали напряжение 4,5 В.

Можно каким-то образом, на основе предыдущей схемы, подключить питание не на 4,5 вольт, а на 6 вольт (4 батарейки) и при этом, не повредив ни один элемент схемы?

Да, можно. Для этой цели нам понадобиться 2 резистора, из которых мы соберем делитель напряжения. Из предыдущих уроков мы знаем, что, соединив последовательно 2 резистора, мы на каждом из них получаем определенное падение напряжения — используем это!

Для начала, давайте рассмотрим вот такую простую схему:

К источнику напряжения В1 последовательно подключено 2 резистора: R1 и R2. Предположим теперь, что батарея B1 это наша кассета с четырьмя батарейками, сила тока в цепи — 80мА, а падение напряжения на резисторах составляет 1,5В и 4,5В (о том, почему мы получили такие данные напишем позже). Рассчитаем сопротивление резисторов R1 и R2:

R₁ = U₁ / I R₂ = U2 / I

R₁ = 1,5В / 80мА R₂ = 4,5В / 80мА

R₁ = 18,75Ом R₂ = 56,25Ом

В номинальном ряду резисторов нет таких сопротивлений, поэтому возьмем более близкие значения: резистор R1 будет иметь сопротивление 22 Ом, а резистором R2 послужат нам два резистора 47 Ом (R2) и 10 Ом (R3). Давайте теперь соберем схему из трех резисторов на макетной плате. Примечание: подключите питание лишь на короткое время, только чтобы отметить, что резисторы горячие!

Что происходит в нашей схеме? Рассчитаем показатели нашей схемы, хотя бы для того, чтобы попрактиковаться в расчетах

• сопротивление общей цепи:

R = 22 Ом + 47 Ом + 10 Ом

R = 79 Ом

• ток:

I = U_B1 / R

I = 6 В / 79 Ом

I = 76 мА

• падение напряжения на каждом из резисторов:

U_R1 = R₁ x I U_R2 = R₂ x I U_R3 = R₃ x I

U_R1 = 22 Ом x 76 мА U_R2 = 47 Ом x 76 мА U_R3 = 10 Ом x 76 мА

U_R1 = 1,67 В U_R2 = 3,57 В U_R3 = 0,76 В

(напоминаем, что результаты вышли в соответствии со вторым законом Кирхгофа: U1 + U2 + U3 = U_B1)

• мощность, выделяемая на каждом из резисторов:

P_R1 = U₁ x I P_R2 = U₂ x I P_R3 = U₃ x I

P_R1 = 1,67 В x 76 мА P_R2 = 3,57 В x 76 мА P_R3 = 0,76 В x 76 мА

P_R1 = 0,13 Вт P_R2 = 0,27 Вт P_R3 = 0,06 Вт

Мощность, выделяемая на резисторе R2, составляет 0,27 Вт, а его мощность — только 0,25 Вт! Спокойствие, если схему включили только на короткое время с резистором ничего не случиться, но при длительной работе схемы он мог бы сгореть. К тому же такое положение вещей плохо сказывается и на «самочувствие» батареи – она быстро разрядится.

Выводы таковы, что ток в цепи около 80 мА — это слишком много. Может 40 мА будет в самый раз? Пересчитаем с самого начала.

У нас та же кассета батарей с напряжением UB1 = 6 В, два резистора R1 и R2, на которых падение напряжения составляет 1,5 В и 4,5 В соответственно, ток в цепи I = 40 мА. Расчеты аналогичны, поэтому приведем конечные результаты вычисления (вы в рамках обучения можете сделать это самостоятельно), итак получается R1 = 37,5 Ом, а R2 = 112,5 Ом.

Снова у нас таких резисторов нет, поэтому вместо 37,5 Ом возьмем 2 x 22 Ом, а вместо 112,5 Ом возьмем 100 Ом и 10 Ом.

Определим значения в реальности: с фактическим напряжением батареи и фактическими сопротивлениями резисторов.

• сопротивление общей цепи: R = 155,9 Ом;
• ток: I = 41 мА;
• падение напряжения на каждом из резисторов: U_R1 = 0,93 В; U_R2 = 0,94 В; U_R3 = 4,07 В; U_R4 = 0,45 В;
• мощность выделяется на каждом из резисторов: P_R1 = 0,04 Вт; P_R2 = 0,04 Вт; P_R3 = 0,17 Вт; P_R4 = 0,02 Вт.

В этой схеме ток не большой, а мощность, выделяемая на каждом из резисторов не превышает допустимой величины 0,25 Вт – эту схему мы можем спокойно уже собирать на макетной плате!

Если мы измерим напряжение после первого резистора (точка соединения R2 и R3), то напряжение там будет 4,5 В (точное значение зависит от напряжения вашей батареи и фактического сопротивления используемых резисторов).

Именно так и работает делитель напряжения – к источнику напряжения подключены последовательно, по крайней мере, 2 резистора (у нас 4 резисторы: R1, R2, R3, R4).

Из второго закона Кирхгофа мы помним, что сумма падений напряжений на них равна напряжению источника питания (U_B1 = U_R1 + U_R2 + U_R3 + U_R4). Если после первого резистора (у нас R2) мы подключим дополнительную цепь, то напряжение там будет напряжение источника питания минус падение напряжения на резисторах R1 и R2 (U_B1 – U_R1 – U_R2).

Наверняка вы заметили, что один из резисторов (R5) изменил свое положение – он сначала располагался прямо перед светодиодом, а сейчас за переключателем S1. Здесь резистор R5 приобрел новую функцию, его задача — направлять к этой части системы определенное напряжение.

Мы знаем, что красный светодиод лучше всего себя „чувствует” когда через него течет ток 20 мА. Однако нужно знать о некотором принципе проектирования делителя напряжения – ток в делителе должен быть, по крайней мере, в 4 раза выше (предпочтительно, в 10 раз), чем в последующей части схемы.

Поэтому, чтобы запитать светодиод током 20 мА в делителе ток должен составлять минимум 80 мА, а мы ведь уже знаем, что это слишком много (учитывая, слишком большую выделяемую мощность на резисторах). Поэтому мы не сможем предоставить светодиоду 20 мА, а только 10 мА.

Как это сделать? Соответственно, следует подобрать резистор R5:

R₅ = (U_B1 – U_R1 – U_R2-U_D1) / I₁

R₅ = (6,38 В – 0,93 В – 0,94 В — 2,1 В) / 10 мА

R₅ = 241Ом

Опять у нас нет резистора такого сопротивления, вместо этого мы используем 220 Ом.

Теперь подайте питание и проверьте, как ведет себя схема, когда переключатель замкнут/разомкнут, как горит светодиод, когда конденсатор заряжается или разряжается.