Электроника:Эксперименты/Электрические цепи переменного тока/Сигнальная связь

Материал из Онлайн справочника
Перейти к навигацииПерейти к поиску

Перевод: Макаров В. (valemak) Контакты:</br>* Habr: @vakemak</br>* Сайт: www.valemak.com</br>Перевёл статей: 656.
Проверка/Оформление/Редактирование: Мякишев Е.А.


Сигнальная связь[1]

Оборудование и материалы

  • 6-вольтовая батарея
  • Один конденсатор, 0,22 мкФ (каталог Radio Shack №272-1070 или аналог)
  • Один конденсатор, 0,047 мкФ (каталог Radio Shack №272-134 или аналог)
  • Небольшой «любительский» двигатель на постоянных магнитах (каталог Radio Shack №273-223 или аналог)
  • Аудиодетектор с наушниками
  • Пара метров телефонного кабеля (каталог Radio Shack №278-872)

Телефонный кабель также можно приобрести в хозяйственном магазине. Для этого эксперимента подойдёт любой неэкранированный многожильный кабель. Кабели с тонкими жилами (телефонный кабель обычно 24-го калибра AWG) дают более выраженный эффект.

Ссылки по теме

Цели эксперимента

  • Научиться «связывать» сигналы переменного тока и блокировать сигналы постоянного тока с помощью измерителя
  • Узнать, откуда берётся паразитная «связь» в кабелях
  • Определить методы минимизации межкабельной «связи»

Принципиальная схема

Рис. 1. Схематическая диаграмма: источник питания + телефонный кабель + двигатель.
Рис. 1. Схематическая диаграмма: источник питания + телефонный кабель + двигатель.

Иллюстрации

Рис. 2. Иллюстрация: источник питания + телефонный кабель + двигатель.
Рис. 2. Иллюстрация: источник питания + телефонный кабель + двигатель.

Ход эксперимента

Подключите двигатель к аккумулятору, используя два из четырёх проводов телефонного кабеля. Двигатель должен ожидаемо заработать. Теперь подключите детектор аудиосигнала к клеммам двигателя с последовательно включённым конденсатором 0,047 мкФ, например так:

Рис. 3. Подключаем последовательно конденсатор и детектор аудиосигнала.
Рис. 3. Подключаем последовательно конденсатор и детектор аудиосигнала.

Вы должны услышать «жужжание» (или даже «вой») в наушниках, представляющее «шумовое» напряжение переменного тока, создаваемое двигателем, когда щётки замыкают и размыкают контакт с вращающимися стержнями коммутатора. Назначение последовательно включённого конденсатора – действовать как фильтр верхних частот, чтобы детектор принимал только переменное напряжение на клеммах двигателя, а не постоянное напряжение. Именно так осциллографы обеспечивают функцию «связи по переменному току» для измерения содержания переменного тока в сигнале без постоянного напряжения смещения: конденсатор подключается последовательно к одному испытательному щупу.

В идеале не следует ожидать ничего, кроме постоянного напряжения на клеммах двигателя, поскольку двигатель подключён непосредственно параллельно аккумулятору. Поскольку клеммы двигателя электрически общие с соответствующими клеммами батареи, а природа батареи заключается в поддержании постоянного напряжения постоянного тока, на клеммах двигателя не должно появляться ничего, кроме постоянного напряжения, ведь так?

Что ж, из-за внутреннего сопротивления батареи и по длине проводника импульсы тока, потребляемые двигателем, вызывают колебательные «провалы» напряжения на клеммах двигателя, вызывая «шум» в виде переменного тока, слышимый детектором:

Рис. 4. Из-за сопротивления возникают колебательные «провалы» напряжения на клеммах двигателя, что фиксируется аудиодетектором.
Рис. 4. Из-за сопротивления возникают колебательные «провалы» напряжения на клеммах двигателя, что фиксируется аудиодетектором.

Используйте аудиодетектор для измерения шумового напряжения непосредственно на батарее. Поскольку шумовой переменный ток в этой цепи создаётся пульсирующими перепадами напряжения на паразитных сопротивлениях, чем меньшее сопротивление мы измеряем, тем меньше шумового напряжения мы должны обнаружить:

Рис. 5. Чем меньше сопротивление, тем меньше шумовое напряжение.
Рис. 5. Чем меньше сопротивление, тем меньше шумовое напряжение.

Вы также можете измерить шумовое напряжение, падающее на любом из проводников телефонного кабеля, питающего двигатель, подключив аудиодетектор между обоими концами одного проводника кабеля. Обнаруженный здесь «шум» возникает из-за импульсов тока, преодолевающего сопротивление провода:

Рис. 6. «Шум» возникает из-за импульсов тока, преодолевающего сопротивление провода.
Рис. 6. «Шум» возникает из-за импульсов тока, преодолевающего сопротивление провода.

Теперь, когда мы установили, как создаётся и распространяется шумовой переменный ток в этой цепи, давайте рассмотрим, как он связан с соседними проводами в кабеле. С помощью аудиодетектора измерьте напряжение между одной из клемм двигателя и одним из неиспользуемых проводов телефонного кабеля. Конденсатор 0,047 мкФ в этом упражнении не нужен, потому что между этими точками нет постоянного напряжения, которое детектор мог бы обнаружить в любом случае:

Рис. 7. Детектор не обнаруживает напряжения между одной из клемм двигателя и одним из неиспользуемых проводов кабеля.
Рис. 7. Детектор не обнаруживает напряжения между одной из клемм двигателя и одним из неиспользуемых проводов кабеля.

Обнаруженное здесь шумовое напряжение возникает из-за паразитной ёмкости между соседними проводниками кабеля, создающей «путь» для переменного тока между проводами. Помните, что ток на самом деле не проходит через ёмкость, но попеременное действие зарядки и разрядки конденсатора, будь то преднамеренное или непреднамеренное, обеспечивает переменному току своего рода «путь».

Если бы мы попытались провести сигнал напряжения между одним из неиспользуемых проводов и точкой, общей с двигателем, этот сигнал был бы испорчен шумовым напряжением от двигателя. Это может быть весьма вредным, в зависимости от того, сколько шума было связано между двумя цепями и насколько чувствительна одна цепь к «шуму» другой.

Поскольку явление первичной «связи» в этой схеме носит ёмкостной характер, высокочастотные шумовые напряжения связаны более сильно, чем низкочастотные.

Если бы дополнительный сигнал был сигналом постоянного тока, в котором не ожидался переменный ток, мы могли бы смягчить проблему связанного «шума», «развязав» шум переменного тока с помощью относительно большого конденсатора, подключённого к проводникам сигнала постоянного тока. Используйте для этой цели конденсатор 0,22 мкФ, как показано на рисунке:

Рис. 8. Для развязки шумового переменного тока используется конденсатор.
Рис. 8. Для развязки шумового переменного тока используется конденсатор.

Развязывающий конденсатор действует как короткое замыкание на любое шумовое напряжение переменного тока, при этом совершенно не влияя на сигналы напряжения постоянного тока между этими двумя точками. До тех пор, пока значение развязывающего конденсатора значительно больше, чем паразитная «развязывающая» ёмкость между проводниками кабеля, шумовое напряжение переменного тока будет сведено к минимуму.

Ещё один способ минимизировать связанный «шум» в кабеле – избегать использования двух цепей с общим проводником. Для иллюстрации подключите аудиодетектор между двумя неиспользуемыми проводами и прислушайтесь к шумовому сигналу:

Рис. 9. Аудиодетектор подключён между двумя неиспользуемыми проводами.
Рис. 9. Аудиодетектор подключён между двумя неиспользуемыми проводами.

Между любыми двумя неиспользуемыми проводниками должно быть гораздо меньше шума, чем между одним неиспользуемым проводником и одним, используемым в цепи двигателя. Причина такого резкого снижения шума заключается в том, что паразитная ёмкость между проводами кабеля склонна связывать одинаковое шумовое напряжение с обоими неиспользуемыми проводниками примерно в равных пропорциях.

Таким образом, при измерении напряжения между этими двумя проводниками детектор «видит» только разницу между двумя примерно одинаковыми шумовыми сигналами.

См.также

Внешние ссылки