Предисловие.
Собрать электронное устройство по готовой схеме не так уж сложно, можно практически ничего не смыслить в электронике, но обладать прямыми руками и старанием. Тем не менее, надобность в простейших знаниях приходит сама, когда электроника становится увлечением. Где же узнать самую необходимую информацию? Её приходится собирать по крупинкам: из учебников и статей, от единомышленников и учителей. Одна из этих крупинок сейчас перед вами. Здесь собрана необходимая информация о пассивных радиокомпонентах, и немножечко сверху. Пусть эта статья даст вам необходимый задел, и до многих других вещей вы додумаетесь сами.
Резистор.
Без резисторов нам никак. Резисторы есть в каждом устройстве, и их много. Резистор обладает электрическим сопротивлением, то есть затрудняет прохождение тока по цепи. Зачем он нужен? Чтобы понять это, для начала нужно выучить Закон Ома, основу основ электроники.
Закон Ома гласит:
Сила тока в однородном участке цепи прямо пропорциональна напряжению, приложенному к участку, и обратно пропорциональна электрическому сопротивлению этого участка.
То есть, всё более чем логично. Прикладываем большее напряжение к резистору, и через него начинает течь больший ток. Чем сильнее резистор сопротивляется току, тем меньший ток через него протечёт. Представьте резистор как водопроводный кран – чем больший напор создаётся станцией, тем быстрее потечёт вода через приоткрытый кран. Закроете кран (сопротивление равно бесконечности) – и вода не течёт.
Кстати, можно очень быстро запомнить этот закон. Вот вам хитрая треугольная диаграмма. Нужно закрыть искомую величину, и два других символа дадут формулу для её вычисления. Спасибо Википедии.
Теперь нужно понять, что такое падение напряжения.
Если через резистор течёт ток, то на его концах присутствует определённое напряжение. Посмотрите на эту схему:
Три одинаковых резистора по одному Ому, соединённые последовательно. Сопротивление всей цепочки равно сумме сопротивлений этих резисторов, то есть 3 Ома. Напряжение, приложенное к ней — 3 В. Как следует из закона Ома, через этот участок цепи течёт ток в 1 Ампер. Теперь разобьём этот участок на два: первый участок с первым резистором, и второй со вторым и третьим резисторами. Как мы помним, через цепь течёт ток 1 А. Он будет одинаковым по всей цепи. Выразим из закона Ома напряжение:
U=I*R
Подставим в формулу сопротивление первого участка и ток, и получим, что напряжение на его концах равно 1 В. Если подставим сопротивление второго участка, получим 2 В. Эти числа равны падению напряжения на этих участках. То есть на первом участке падает 1 В, и второму «остаётся» только два. И наоборот, на втором участке падает 2 В, первому остаётся 1 В. А какое падение напряжения на каждом из резисторов? Правильно, 1 В. Обратите внимание, в сумме всегда получится 3 В. И для каждого из этих участков выполнится отношение:
Вот вам и первое применение – делитель напряжения. Посмотрите на схему. На ней появилась «земля». Грубо говоря, это точка отсчёта в схеме. Все напряжения на схеме указываются именно относительно этой точки.
Подадим на вход схемы напряжение. Пусть его уровень равен U. Через резисторы в «землю» течёт ток . Напряжение же на выходе этой цепочки, то есть напряжение падения на R2, равно:
Подставьте туда значения по 1 Ом, и получите, что напряжение ослабляется в 2 раза.
Хочу заметить, что делитель – это частный случай сумматора напряжений с одним «входом». Кроме того, делитель напряжения лежит в основе усилительных каскадов и частотных фильтров. При этом один или оба резистора заменяются на транзисторы, конденсаторы, индуктивности и т.д. Но об этом позже.
Как узнать сопротивление последовательной цепочки резисторов – я уже говорил. Нужно просто сложить сопротивления резисторов.
При параллельном соединении другой подход:
Резисторы имеют всего 2 параметра — сопротивление и мощность. Имеется в виду предельная мощность, которая может выделяться на нагреваемом током резисторе, не причиняя ему вреда.
Конденсатор.
Конденсатор – второе по популярности устройство. Он состоит из двух электродов и диэлектрика между ними. Обладает ёмкостью (С), измеряемой в Фарадах. Упрощённо принцип действия можно представить так. На каждой обкладке имеется запас электронов. Если приложить к обкладкам разность потенциалов, то с одной обкладки часть электронов уйдёт, на другой же обкладке появится избыток электронов. То есть первая зарядится положительно, а вторая отрицательно. Между обкладками появится электростатическое поле, в виде которого и хранится энергия. Стоит замкнуть обкладки проводником, и избыток электронов устремится на положительно заряженную обкладку.
Как следует из конструкции, конденсатор не может проводить постоянный ток, ведь он по сути является разрывом в цепи. Зато он прекрасно проводит переменное напряжение. И чем выше частота, тем меньшее сопротивление он оказывает. Это сопротивление называется реактивным и посчитать его можно по следующей формуле:
Подставим конденсатор в делитель напряжения вместо одного из резисторов.
При высокой частоте, реактивное сопротивление конденсатора мало, и образующийся делитель значительно ослабляет уровень сигнала. Зато низкие частоты пропускаются почти без изменений. Это фильтр низких частот (ФНЧ). Частный его случай используется для фильтрации питания. При этом, ёмкость велика, а сопротивление резистора очень мало или он вообще отсутствует. Пульсации питания при этом уходят прямиком в землю.
Изменим конструкцию:
Теперь фильтр пропустит высокие частоты, и отфильтрует низкие. Это фильтр высоких частот (ФВЧ). Частный его случай – разделительный конденсатор: ёмкость конденсатора мала, сопротивление резистора наоборот велико. Очень часто роль резистора выполняет входное сопротивление следующего каскада. Этот каскад срезает только самые низкие частоты, не несущие полезной информации (инфразвук), и избавляет от постоянной составляющей. Хотя, иногда он используется одновременно и для среза басов, например, перед ограничительным каскадом. Постоянная составляющая на выходе цепочки будет равна напряжению в точке, к которой подключен резистор, в данном случае ноль (напряжение «земли»).
Частота среза этих фильтров считается по формуле:
Если поймёте этот принцип, то сможете разобраться в работе практически любого темброблока. Нужно лишь знать три вещи:
- формулу реактивного сопротивления конденсатора XC;
- конденсаторы заменяются резисторами сопротивлением XC;
- закон Ома.
Кроме того, существует много разновидностей фильтров – Т-мост, двойной Т-мост, мост Вина и т.д. Все эти фильтры считаются пассивными, поскольку не имеют в составе активных компонентов.
В то время, как сопротивление резисторов мы чаще считаем в килоомах, ёмкость чаще измеряется в нанофарадах. Ёмкость в один Фарад воистину огромна, и на практике вы с ними не столкнётесь.
Конструкции конденсаторов различны. Самая простая – когда электроды делаются из полосок фольги, между полосками прокладывается диэлектрик, и всё это сворачивается в плотный рулет. В качестве диэлектрика используется бумага (металлобумажные конденсаторы) или плёнка из разных сортов пластика (плёночные). Последние пользуются почётом и уважением за низкие искажения и часто используются в аудиотехнике.
Керамические конденсаторы имеют многослойную конструкцию. В них чередуются тонкие керамические пластинки и пластинки диэлектриков. Они могут иметь как очень малую (единицы пикофарад), так и очень большую ёмкость, на настоящий момент рекордсмен – 100 микрофарад в корпусе примерно 3х5х1 мм. К сожалению, такие конденсаторы часто микрофонят и искажают сигнал. Рекомендуются к применению в цифровой электронике, но не в аудио сфере, кроме некоторых случаев. Например, они неплохо фильтруют высокочастотные помехи, и ими можно шунтировать электролитический конденсатор, фильтрующий питание.
Если нужна высокая ёмкость, то применяются электролитические конденсаторы.
В электролитических конденсаторах два электрода, изготовленные из фольги, погружены в проводящую жидкость, электролит. Роль диэлектрика выполняет тончайший оксидный слой на одном из электродов. Именно его толщина позволяет добиться высокой ёмкости. К сожалению, пара метал-оксид является полупроводником, и пропускает ток в одном направлении. Поэтому электролитические конденсаторы полярны, за исключением специальных моделей. Есть также танталовые электролитические конденсаторы. В них покрыт оксидной плёнкой пористый танталовый электрод, имеющий большую площадь поверхности при скромных размерах. Поры заполнены вторым электродом. Кстати, электролитические конденсаторы являются самыми ненадежными элементами, уступая лишь соединительным разъемам и потенциометрам. Наиболее частая причина поломки компьютерной техники — как раз надувшийся конденсатор.
Это те типы конденсаторов, с которыми придётся столкнуться, работая со звуковым оборудованием. В действительности их гораздо больше. Рекомендую прочитать полезную статью по данной теме.
Конденсаторы обладают двумя характеристиками: ёмкость и напряжение пробоя. При этом напряжении пробивается слой диэлектрика, и конденсатор выходит из строя. Это может повлечь за собой печальные последствия. Например, если в ламповом преампе пробивается один из проходных конденсаторов, на сетку одной из ламп сразу поступает значительное напряжение возможно, напрямую с анода предыдущей. Формируется очень громкий хлопок, усилитель или динамик могут быть повреждены, не говоря уже о ваших ушах. Если пробивается входной разделительный конденсатор, высокое напряжение поступает в обратном направлении — в гитару или вашу любимую Край Бэби за двести долларов. Наконец, высоковольтные электролитические конденсаторы просто эффектно взрываются, уничтожая лампы, пальцы, глаза, оказавшиеся поблизости. При первом включении усилителей, использующих высокое напряжение, рекомендуется держаться от них подальше.
Индуктивность.
Она же катушка индуктивности или дроссель. Используется редко, поэтому упомяну лишь то, что она является полной противоположностью конденсатора. Катушка пропускает низкие частоты, но сопротивляется высоким частотам. Единица измерения индуктивности — Генри. Формула реактивного сопротивления:
Как видите, это лишь перевернутая формула реактивного сопротивления конденсатора.
Индуктивности применяются в основном для фильтрации питания. Очень редко, но все же встречается в темброблоках. Наиболее известное применение — в качестве одного из элементов квакушек, например Dunlop Cry Baby.
На сегодня это всё. Надеюсь, мои единомышленники разовьют тему дальше.
Всем успехов!