Конденсатор – это элемент электрической цепи, который способен накапливать электрический заряд. Важной особенностью конденсатора является его свойство не только накапливать, но и отдавать заряд, причем практически мгновенно.

Согласно второму закону коммутации напряжение на конденсаторе не может измениться скачком. Эта особенность активно используется в различных фильтрах, стабилизаторах, интегрирующих цепях, колебательных контурах и тд.

В том, что напряжение не может измениться мгновенно, можно убедиться из формулы

Если бы напряжение в момент коммутации изменилось скачком, это означало бы, что скорость изменения du/dt = ∞, чего в природе быть не может, так как потребовался бы источник бесконечной мощности.

Процесс заряда конденсатора

На схеме представлена RC – цепь (интегрирующая), запитанная от постоянного источника питания. При замыкании ключа в положение 1 происходит заряд конденсатора. Ток проходит по цепи: “плюс” источника – резистор – конденсатор - “минус” источника.

Напряжение на обкладках конденсатора изменяется по экспоненциальному закону. Ток, протекающий через конденсатор, также изменяется по экспоненте. Причем эти изменения взаимообратны, чем больше напряжение, тем меньше ток, протекающий через конденсатор. Когда напряжение на конденсаторе сравняется с напряжением источника, процесс заряда прекратится, и ток в цепи перестанет течь.

Теперь, если мы переключим ключ в положение 2, то ток потечет в обратную сторону, а именно по цепи: конденсатор – резистор – “минус” источника. Таким образом, конденсатор разрядится. Процесс будет носить также экспоненциальный характер.

Важной характеристикой данной цепи является произведение RC , которую еще называют постоянной времени τ . За время τ конденсатор заряжается или разряжается на 63%. За 5 τ конденсатор отдает или принимает заряд полностью.

От теории перейдем к практике. Возьмем конденсатор на 0,47 мкФ и резистор номиналом 10 КОм.

Рассчитаем примерное время, за которое должен зарядиться конденсатор.

Теперь соберем данную схему в multisim и попробуем промоделировать

Собранная схема, запитана от батареи 12 В. Меняя положение переключателя S1, мы сначала заряжаем, а затем разряжаем конденсатор через сопротивление R = 10 КОм. Для того чтобы увидеть наглядно работу схемы посмотрите видео ниже.

Генераторы высокого напряжения малой мощности широко используют в дефектоскопии, для питания портативных ускорителей заряженных частиц, рентгеновских и электронно-лучевых трубок, фотоэлектронных умножителей, детекторов ионизирующих излучений. Кроме этого, их также применяют для электроимпульсного разрушения твердых тел, получения ультрадисперсных порошков, синтеза новых материалов, в качестве искровых те-чеискателей, для запуска газоразрядных источников света, при электроразрядной диагностике материалов и изделий, получении газоразрядных фотографий по методу С. Д. Кирлиан, тестировании качества высоковольтной изоляции. В быту подобные устройства находят применение в качестве источников питания для электронных уловителей ультрадисперсной и радиоактивной пыли, систем электронного зажигания, для электроэффлювиаль-ных люстр (люстр А. Л. Чижевского), аэроионизаторов, устройств медицинского назначения (аппараты Д’Арсонваля, франклизации, ультратонотерапии), газовых зажигалок, электроизгородей, элек-трошокеров и т.д.

Условно к генераторам высокого напряжения нами отнесены устройства, вырабатывающие напряжение выше 1 кВ.

Генератор высоковольтных импульсов с использованием резонансного трансформатора (рис. 11.1) выполнен по классической схеме на газовом разряднике РБ-3.

Конденсатор С2 заряжается пульсирующим напряжением через диод VD1 и резистор R1 до напряжения пробоя газового разрядника. В результате пробоя газового промежутка разрядника конденсатор разряжается на первичную обмотку трансформатора, после чего процесс повторяется. В итоге на выходе трансформатора Т1 формируются затухающие высоковольтные импульсы амплитудой до 3...20 кВ.

Для защиты выходной обмотки трансформатора от перенапряжения параллельно ей подключен разрядник, выполненный в виде электродов с регулируемым воздушным зазором.

Рис. 11.1. Схема генератора высоковольтных импульсов с использованием газового разрядника.

Рис. 11.2. Схема генератора высоковольтных импульсов с удвоением напряжения.

Трансформатор Т1 генератора импульсов (рис. 11.1) выполнен на незамкнутом ферритовом сердечнике М400НН-3 диаметром 8 и длиной 100 мм. Первичная (низковольтная) обмотка трансформатора содержит 20 витков провода МГШВ 0,75 мм с шагом намотки 5...6 мм. Вторичная обмотка содержит 2400 витков рядовой намотки провода ПЭВ-2 0,04 мм. Первичная обмотка намотана поверх вторичной через политетрафторэти-леновую (фторопластовую) прокладку 2x0,05 мм. Вторичная обмотка трансформатора должна быть надежно изолирована от первичной.

Вариант выполнения генератора высоковольтных импульсов с использованием резонансного трансформатора показан на рис. 11.2. В этой схеме генератора имеется гальваническая развязка от питающей сети. Сетевое напряжение поступает на промежуточный (повышающий) трансформатор Т1. Снимаемое со вторичной обмотки сетевого трансформатора напряжение поступает на выпрямитель, работающий по схеме удвоения напряжения.

В результате работы такого выпрямителя на верхней по схеме обкладке конденсатора С2 относительно нулевого провода появляется положительное напряжение, равное квадратный корень из 2Uii, где Uii — напряжение на вторичной обмотке силового трансформатора.

На конденсаторе С1 формируется соответствующее напряжение противоположного знака. В результате напряжение на обкладках конденсатора СЗ будет равно 2 квадратных кореня из 2Uii.

Скорость заряда конденсаторов С1 и С2 (С1=С2) определяется величиной сопротивления R1.

Когда напряжение на обкладках конденсатора СЗ сравняется с напряжением пробоя газового разрядника FV1, произойдет пробой его газового промежутка, конденсатор СЗ и, соответственно, конденсаторы С1 и С2 разрядятся, во вторичной обмотке трансформатора Т2 возникнут периодические затухающие колебания. После разряда конденсаторов и отключения разрядника процесс заряда и последующего разряда конденсаторов на первичную обмотку трансформатора 12 повторится снова.

Высоковольтный генератор, используемый для получения фотографий в газовом разряде, а также для сбора ультрадис-персной и радиоактивной пыли (рис. 11.3) состоит из удвоителя напряжения, релаксационного генератора импульсов и повышающего резонансного трансформатора.

Удвоитель напряжения выполнен на диодах VD1, VD2 и конденсаторах С1, С2. Зарядную цепочку образуют конденсаторы С1 — СЗ и резистор R1. Параллельно конденсаторам С1 — СЗ включен газовый разрядник на 350 В с последовательно соединенной первичной обмоткой повышающего трансформатора Т1.

Как только уровень постоянного напряжения на конденсаторах С1 — СЗ превысит напряжение пробоя разрядника, конденсаторы разрядятся через обмотку повышающего трансформатора и в результате образуется высоковольтный импульс. Элементы схемы подобраны так, что частота формирования импульсов около 1 Гц. Конденсатор С4 предназначен для защиты выходного зажима прибора от попадания сетевого напряжения.

Рис. 11.3. Схема генератора импульсов высокого напряжения с использованием газового разрядника или динисторов.

Выходное напряжение устройства целиком определяется свойствами используемого трансформатора и может достигать 15 кВ. Высоковольтный трансформатор на выходное напряжение порядка 10 кВ выполнен на диэлектрической трубке с внешним диаметром 8 и длиной 150 мм, внутри расположен медный электрод диаметром 1,5 мм. Вторичная обмотка содержит 3...4 тысячи витков провода ПЭЛШО 0,12, намотанных виток к витку в 10... 13 слоев (ширина намотки 70 мм) и пропитанных клеем БФ-2 с межслойной изоляцией из политетрафторэтилена. Первичная обмотка содержит 20 витков провода ПЭВ 0,75, пропущенного через кембрик из поливинилхлорида.,

В качестве такого трансформатора можно также применить модифицированный выходной трансформатор строчной развертки телевизора; трансформаторы электронных зажигалок, ламп-вспышек, катушек зажигания и др.

Газовый разрядник Р-350 может быть заменен переключаемой цепочкой динисторов типа КН102 (рис. 11.3, справа), что позволит ступенчато изменять выходное напряжение. Для равномерного распределения напряжения на динисторах параллельно к каждому из них подключены резисторы одинакового номинала сопротивлением 300...510 кОм.

Вариант схемы высоковольтного генератора с использованием в качестве порогово-коммутирующего элемента газонаполненного прибора — тиратрона показан на рис. 11.4.

Рис. 11.4. Схема генератора импульсов высокого напряжения с использованием тиратрона.

Сетевое напряжение выпрямляется диодом VD1. Выпрямленное напряжение сглаживается конденсатором С1 и подается на зарядную цепочку R1, С2. Как только напряжение на конденсаторе С2 достигнет напряжения зажигания тиратрона VL1, он вспыхивает. Конденсатор С2 разряжается через первичную обмотку трансформатора Т1, тиратрон гаснет, конденсатор вновь начинает заряжаться и т.д.

В качестве трансформатора Т1 использована автомобильная катушка зажигания.

Вместо тиратрона VL1 МТХ-90 можно включить один или несколько динисторов типа КН102. Амплитуду высокого напряжения можно регулировать количеством включенных динисторов.

Конструкция высоковольтного преобразователя с использованием тиратронного коммутатора описана в работе. Отметим, что для разряда конденсатора могут быть использованы и другие виды газонаполненных приборов.

Более перспективно применение в современных генераторах высокого напряжения полупроводниковых переключающих приборов. Их достоинства отчетливо выражены: это высокая повторяемость параметров, меньшая стоимость и габариты, высокая надежность.

Ниже будут рассмотрены генераторы высоковольтных импульсов с использованием полупроводниковых коммутирующих приборов (динисторов, тиристоров, биполярных и полевых транзисторов).

Вполне равноценным, но слаботочным аналогом газовых разрядников являются динисторы.

На рис. 11.5 показана электрическая схема генератора, выполненного на динисторах. По своей структуре генератор полностью подобен описанным ранее (рис. 11.1, 11.4). Основное отличие заключается в замене газового разрядника цепочкой последовательно включенных динисторов.

Рис. 11.5. Схема генератора высоковольтных импульсов на динисторах.

Рис. 11.6. Схема генератора высоковольтных импульсов с мостовым выпрямителем.

Следует отметить, что КПД такого аналога и коммутируемые токи заметно ниже, чем у прототипа, однако динисторы более доступны и более долговечны.

Несколько усложненный вариант генератора высоковольтных импульсов представлен на рис. 11.6. Сетевое напряжение подается на мостовой выпрямитель на диодах VD1 — VD4. Выпрямленное напряжение сглаживается конденсатором С1. На этом конденсаторе образуется постоянное напряжение около 300 В, которое используется для питания релаксационного генератора, составленного из элементов R3, С2, VD5 и VD6. Его нагрузкой является первичная обмотка трансформатора Т1. Со вторичной обмотки снимаются импульсы амплитудой примерно 5 кВ и частотой следования до 800 Гц.

Цепочка динисторов должна быть рассчитана на напряжение включения около 200 В. Здесь можно использовать динисторы типа КН102 либо Д228. При этом следует учитывать, что напряжение включения динисторов типа КН102А, Д228А составляет 20 В; КН102Б, Д228Б — 28 В; КН102В, Д228В — 40 В; КН102Г, Д228Г — 56 В; КН102Д, Д228Д — 80 В; КН102Е — 75 В; КН102Ж, Д228Ж — 120 В; КН102И, Д228И — 150 В.

В качестве трансформатора Т1 в приведенных выше устройствах может быть использован доработанный строчный трансформатор от черно-белого телевизора. Его высоковольтную обмотку оставляют, остальные удаляют и вместо них наматывают низковольтную (первичную) обмотку — 15...30 витков провода ПЭВ диаметром 0,5...0,8 мм.

При выборе числа витков первичной обмотки следует учитывать количество витков вторичной обмотки. Необходимо также иметь в виду, что величина выходного напряжения генератора высоковольтных импульсов в большей степени зависит от настройки контуров трансформатора в резонанс, нежели от соотношения числа витков обмоток.

Характеристики некоторых видов телевизионных трансформаторов строчной развертки приведены в таблице 11.1.

Таблица 11.1. Параметры высоковольтных обмоток унифицированных телевизионных трансформаторов строчной развертки.

Тип трансформатора	Число витков		R обмотки, Ом
ТВС-А, ТВС-Б
ТВС-110, ТВС-110М

Тип трансформатора	Число витков		R обмотки, Ом
ТВС-90ЛЦ2, ТВС-90ЛЦ2-1
ТВС-110ПЦ15
ТВС-110ПЦ16, ТВС-110ПЦ18

Рис. 11.7. Электрическая схема генератора высоковольтных импульсов.

На рис. 11.7 представлена опубликованная на одном из сайтов схема двухступенчатого генератора высоковольтных импульсов, в котором в качестве элемента коммутации использован тиристор. В свою очередь, в качестве порогового элемента, определяющего частоту следования высоковольтных импульсов и запускающего тиристор, выбран газоразрядный прибор — неоновая лампа (цепочка HL1, HL2).

При подаче напряжения питания генератор импульсов, выполненный на основе транзистора VT1 (2N2219A — КТ630Г), вырабатывает напряжение порядка 150 В. Это напряжение выпрямляется диодом VD1 и заряжает конденсатор С2.

После того как напряжение на конденсаторе С2 превысит напряжение зажигания неоновых ламп HL1, HL2, через токоограничивающий резистор R2 произойдет разряд конденсатора на управляющий электрод тиристора VS1, тиристор отопрется. Разрядный ток конденсатора С2 создаст электрические колебания в первичной обмотке трансформатора Т2.

Напряжение включения тиристора можно регулировать, подбирая неоновые лампы с разным напряжением зажигания. Ступенчато изменять величину напряжения включения тиристора можно переключением числа последовательно включенных неоновых ламп (или заменяющих их динисторов).

Рис. 11.8. Диаграмма электрических процессов на электродах полупроводниковых приборов (к рис. 11.7).

Диаграмма напряжений на базе транзистора VT1 и на аноде тиристора показана на рис. 11.8. Как следует из представленных диаграмм, импульсы блокинг-генератора имеют длительность примерно 8 мс. Заряд конденсатора С2 происходит ступенчато-экспоненциально в соответствии с действием импульсов, снимаемых со вторичной обмотки трансформатора Т1.

На выходе генератора формируются импульсы напряжением примерно 4,5 кВ. В качестве трансформатора Т1 использован выходной трансформатор для усилителей низкой частоты. В качестве

высоковольтного трансформатора Т2 использован трансформатор от фотовспышки или переработанный (см. выше) телевизионный трансформатор строчной развертки.

Схема еще одного варианта генератора с использованием неоновой лампы в качестве порогового элемента приведена на рис. 11.9.

Рис. 11.9. Электрическая схема генератора с пороговым элементом на неоновой лампе.

Релаксационный генератор в нем выполнен на элементах R1, VD1, С1, HL1, VS1. Он работает при положительных лолупе-риодах сетевого напряжения, когда конденсатор С1 заряжается до напряжения включения порогового элемента на неоновой лампе HL1 и тиристоре VS1. Диод VD2 демпфирует импульсы самоиндукции первичной обмотки повышающего трансформатора Т1 и позволяет повысить выходное напряжение генератора. Выходное напряжение достигает 9 кВ. Неоновая лампа одновременно является сигнализатором включения устройства в сеть.

Высоковольтный трансформатор намотан на отрезке стержня диаметром 8 и длиной 60 мм из феррита М400НН. Вначале размещают первичную обмотку — 30 витков провода ПЭЛШО 0,38, а затем вторичную — 5500 витков ПЭЛШО 0,05 или большего диаметра. Между обмотками и через каждые 800... 1000 витков вторичной обмотки прокладывают слой изоляции из поливинилхлоридной изоляционной ленты.

В генераторе возможно введение дискретной многоступенчатой регулировки выходного напряжения переключением в последовательной цепи неоновых ламп либо динисторов (рис. 11.10). В первом варианте обеспечиваются две ступени регулирования, во втором — до десяти и более (при использовании динисторов КН102А с напряжением включения 20 В).

Рис. 11.10. Электрическая схема порогового элемента.

Рис. 11.11. Электрическая схема генератора высокого напряжения с пороговым элементом на диоде.

Простой генератор высокого напряжения (рис. 11.11) позволяет получить на выходе импульсы амплитудой до 10 кВ.

Переключение управляющего элемента устройства происходит с частотой 50 Гц (на одной полуволне сетевого напряжения). В качестве порогового элемента использован диод VD1 Д219А (Д220, Д223), работающий при обратном смещении в режиме лавинного пробоя.

При превышении на полупроводниковом переходе диода напряжения лавинного пробоя происходит переход диода в проводящее состояние. Напряжение с заряженного конденсатора С2 подается на управляющий электрод тиристора VS1. После включения тиристора конденсатор С2 разряжается на обмотку трансформатора Т1.

Трансформатор Т1 не имеет сердечника. Он выполнен на катушке диаметром 8 мм из полиметилметакрилата или политет-рахлорэтилена и содержит три разнесенных секции шириной по

9 мм. Повышающая обмотка содержит 3x1000 витков, намотанных проводом ПЭТФ, ПЭВ-2 0,12 мм. После намотки обмотка должна быть пропитана парафином. Поверх парафина накладывается 2 — 3 слоя изоляции, после чего наматывают первичную обмотку — 3x10 витков провода ПЭВ-2 0,45 мм.

Тиристор VS1 можно заменить другим на напряжение выше 150 В. Лавинный диод можно заменить цепочкой динисторов (рис. 11.10, 11.11 внизу).

Схема маломощного переносного источника импульсов высокого напряжения с автономным питанием от одного гальванического элемента (рис. 11.12) состоит из двух генераторов. Первый построен на двух маломощных транзисторах, второй — на тиристоре и динисторе.

Рис. 11.12. Схема генератора напряжения с низковольтным питанием и тиристорно-динисторным ключевым элементом.

Каскад на транзисторах разной проводимости преобразует низковольтное постоянное напряжение в высоковольтное импульсное. Времязадающей цепочкой в этом генераторе служат элементы С1 и R1. При включении питания открывается транзистор ѴТ1, и перепад напряжения на его коллекторе открывает транзистор ѴТ2. Конденсатор С1, заряжаясь через резистор R1, уменьшает базовый ток транзистора ѴТ2 настолько, что транзистор ѴТ1 выходит из насыщения, а это приводит к закрыванию и ѴТ2. Транзисторы будут закрыты до тех пор, пока конденсатор С1 не разрядится через первичную обмотку трансформатора Т1.

Повышенное импульсное напряжение, снимаемое со вторичной обмотки трансформатора Т1, выпрямляется диодом VD1 и поступает на конденсатор С2 второго генератора с тиристором VS1 и динистором VD2. В каждый положительный полупериод

накопительный конденсатор С2 заряжается до амплитудного значения напряжения, равного напряжению переключения динистора VD2, т.е. до 56 В (номинальное импульсное отпирающее напряжение для динистора типа КН102Г).

Переход динистора в открытое состояние воздействует на цепь управления тиристора VS1, который в свою очередь тоже открывается. Конденсатор С2 разряжается через тиристор и первичную обмотку трансформатора Т2, после чего динистор и тиристор вновь закрываются и начинается очередной заряд конденсатора — цикл переключений повторяется.

Со вторичной обмотки трансформатора Т2 снимаются импульсы с амплитудой в несколько киловольт. Частота искровых разрядов равна примерно 20 Гц, но она намного меньше частоты импульсов, снимаемых со вторичной обмотки трансформатора Т1. Происходит это потому, что конденсатор С2 заряжается до напряжения переключения динистора не за один, а за несколько положительных полупериодов. Величина емкости этого конденсатора определяет мощность и длительность выходных разрядных импульсов. Безопасное для динистора и управляющего электрода тринистора среднее значение разрядного тока выбрано из расчета емкости этого конденсатора и величины импульсного напряжения, питающего каскад. Для этого емкость конденсатора С2 должна быть примерно 1 мкФ.

Трансформатор Т1 выполнен на кольцевом ферритовом магнитопроводе типа К10x6x5. Он имеет 540 витков провода ПЭВ-2 0,1 с заземленным отводом после 20-го витка. Начало его намотки присоединяется к транзистору VT2, конец — к диоду VD1. Трансформатор Т2 намотан на катушке с ферритовым или пермаллоевым сердечником диаметром 10 мм, длиной 30 мм. Катушку с внешним диаметром 30 мм и шириной 10 мм наматывают проводом ПЭВ-2 0,1 мм до полного заполнения каркаса. Перед окончанием намотки делается заземленный отвод, и последний ряд провода из 30...40 витков наматывается виток к витку поверх изолирующего слоя лакоткани.

Трансформатор Т2 по ходу намотки необходимо пропитывать изолирующим лаком или клеем БФ-2, затем тщательно просушить.

Вместо VT1 и VT2 можно применить любые маломощные транзисторы, способные работать в импульсном режиме. Тиристор КУ101Е можно заменить на КУ101Г. Источник питания — гальванические элементы с напряжением не более 1,5 В, например, 312, 314, 316, 326, 336, 343, 373, или дисковые никель-кад-миевые аккумуляторы типа Д-0,26Д, Д-0,55С и т.п.

Тиристорный генератор высоковольтных импульсов с сетевым питанием показан на рис. 11.13.

Рис. 11.13. Электрическая схема генератора высоковольтных импульсов с емкостным накопителем энергии и коммутатором на тиристоре.

Во время положительного полупериода сетевого напряжения конденсатор С1 заряжается через резистор R1, диод VD1 и первичную обмотку трансформатора Т1. Тиристор VS1 при этом закрыт, поскольку отсутствует ток через его управляющий электрод (падение напряжения на диоде VD2 в прямом направлении мало по сравнению с напряжением, необходимым для открывания тиристора).

При отрицательном полупериоде диоды VD1 и VD2 закрываются. На катоде тиристора образуется падение напряжения относительно управляющего электрода (минус — на катоде, плюс — на управляющем электроде), в цепи управляющего электрода появляется ток, и тиристор открывается. В этот момент конденсатор С1 разряжается через первичную обмотку трансформатора. Во вторичной обмотке появляется импульс высокого напряжения. И так — каждый период сетевого напряжения.

На выходе устройства формируются двухполярные импульсы высокого напряжения (поскольку при разряде конденсатора в цепи первичной обмотки возникают затухающие колебания).

Резистор R1 может быть составлен из трех параллельно соединенных резисторов МЛТ-2 сопротивлением по 3 кОм.

Диоды VD1 и VD2 должны быть рассчитаны на ток не менее 300 мА и обратное напряжение не ниже 400 В (VD1) и 100 Б (VD2). Конденсатор С1 типа МБМ на напряжение не ниже 400 В. Его емкость — доли-единицы мкФ — подбирают экспериментально. Тиристор VS1 типа КУ201К, КУ201Л, КУ202К — КУ202Н. Трансформатори — катушка зажигания Б2Б (на 6 В) от мотоцикла или автомобиля.

В устройстве может быть использован телевизионный трансформатор строчной развертки ТВС-110Л6, ТВС-1 ЮЛА, ТВС-110АМ.

Достаточно типичная схема генератора высоковольтных импульсов с емкостным накопителем энергии показана на рис. 11.14.

Рис. 11.14. Схема тиристорного генератора высоковольтных импульсов с емкостным накопителем энергии.

Генератор содержит гасящий конденсатор С1, диодный выпрямительный мост VD1 — VD4, тиристорный ключ VS1 и схему управления. При включении устройства заряжаются конденсаторы С2 и СЗ, тиристор VS1 пока закрыт и ток не проводит. Предельное напряжение на конденсаторе С2 ограничено стабилитроном VD5 величиной 9В. В процессе зарядки конденсатора С2 через резистор R2 напряжение на потенциометре R3 и, соответственно, на управляющем переходе тиристора VS1 возрастает до определенного значения, после чего тиристор переключается в проводящее состояние, а конденсатор СЗ через тиристор VS1 разряжается через первичную (низковольтную) обмотку трансформатора Т1, генерируя высоковольтный импульс. После этого тиристор закрывается и процесс начинается заново. Потенциометр R3 устанавливает порог срабатывания тиристора VS1.

Частота повторения импульсов составляет 100 Гц. В качестве высоковольтного трансформатора может быть использована автомобильная катушка зажигания. В этом случае выходное напряжение устройства достигнет 30...35 кВ. Тиристорный генератор высоковольтных импульсов (рис. 11.15) управляется импульсами напряжения, снимаемого с релаксационного генератора, выполненного на динисторе VD1. Рабочая частота генератора управляющих импульсов (15...25 Гц) определяется величиной сопротивления R2 и емкостью конденсатора С1.

Рис. 11.15. Электрическая схема тиристорного генератора высоковольтных импульсов с импульсным управлением.

Релаксационный генератор связан с тиристорным ключом через импульсный трансформатор Т1 типа МИТ-4. В качестве выходного трансформатора Т2 используется высокочастотный трансформатор от аппарата для дарсонвализации «Искра-2». Напряжение на выходе устройства может доходить до 20...25 кВ.

На рис. 11.16 показан вариант подачи импульсов управления на тиристор VS1.

Преобразователь напряжения (рис. 11.17), разработанный в Болгарии, содержит два каскада. В первом из них нагрузкой ключевого элемента, выполненного на транзисторе ѴТ1, является обмотка трансформатора Т1. Управляющие импульсы прямоугольной формы периодически включают/выключают ключ на транзисторе ѴТ1, подключая/отключая тем самым первичную обмотку трансформатора.

Рис. 11.16. Вариант управления тиристорным коммутатором.

Рис. 11.17. Электрическая схема двухступенчатого генератора высоковольтных импульсов.

Во вторичной обмотке наводится повышенное напряжение, пропорциональное коэффициенту трансформации. Это напряжение выпрямляется диодом VD1 и заряжает конденсатор С2, который подключен к первичной (низковольтной) обмотке высоковольтного трансформатора Т2 и тиристору VS1. Управление работой тиристора осуществляется импульсами напряжения, снимаемыми с дополнительной обмотки трансформатора Т1 через цепочку элементов, корректирующих форму импульса.

В результате тиристор периодически включается/отключается. Конденсатор С2 разряжается на первичную обмотку высоковольтного трансформатора.

Генератор высоковольтных импульсов, рис. 11.18, содержит в качестве управляющего элемента генератор на основе однопереходного транзистора.

Рис. 11.18. Схема генератора высоковольтных импульсов с управляющим элементом на однопереходном транзисторе.

Сетевое напряжение выпрямляется диодным мостом VD1 — VD4. Пульсации выпрямленного напряжения сглаживает конденсатор С1, ток заряда конденсатора в момент включения устройства в сеть ограничивает резистор R1. Через резистор R4 заряжается конденсатор СЗ. Одновременно вступает в действие генератор импульсов на однопереходном транзисторе ѴТ1. Его «спусковой» конденсатор С2 заряжается через резисторы R3 и R6 от параметрического стабилизатора (балластный резистор R2 и стабилитроны VD5, VD6). Как только напряжение на конденсаторе С2 достигает определенного значения, транзистор ѴТ1 переключается, и на управляющий переход тиристора VS1 поступает открывающий импульс.

Конденсатор СЗ разряжается через тиристор VS1 на первичную обмотку трансформатора Т1. На его вторичной обмотке формируется импульс высокого напряжения. Частота следования этих импульсов определяется частотой генератора, которая, в свою очередь, зависит от параметров цепочки R3, R6 и С2. Под-строечным резистором R6 можно изменять выходное напряжение генератора примерно в 1,5 раза. При этом частота импульсов регулируется в пределах 250... 1000 Гц. Кроме того, выходное напряжение изменяется при подборе резистора R4 (в пределах от 5 до 30 кОм).

Конденсаторы желательно применять бумажные (С1 и СЗ — на номинальное напряжение не менее 400 В); на такое же напряжение должен быть рассчитан диодный мост. Вместо указанного на схеме можно использовать тиристор Т10-50 или в крайнем случае КУ202Н. Стабилитроны VD5, VD6 должны обеспечить суммарное напряжение стабилизации около 18 В.

Трансформатор изготовлен на основе ТВС-110П2 от чер-но-белых телевизоров. Все первичные обмотки удаляют и наматывают на освободившееся место 70 витков провода ПЭЛ или ПЭВ диаметром 0,5...0,8 мм.

Электрическая схема генератора импульсов высокого напряжения, рис. 11.19, состоит из диодно-конденсаторного умножителя напряжения (диоды VD1, VD2, конденсаторы С1 — С4). На его выходе получается постоянное напряжение примерно 600 В.

Рис. 11.19. Схема генератора высоковольтных импульсов с удвоителем напряжения сети и генератором запускающих импульсов на однопереходном транзисторе.

В качестве порогового элемента устройства использован однопереходный транзистор VT1 типа КТ117А. Напряжение на одной из его баз стабилизировано параметрическим стабилизатором на стабилитроне VD3 типа КС515А (напряжение стабилизации 15 Б). Через резистор R4 осуществляется заряд конденсатора С5, и когда напряжение на управляющем электроде транзистора VT1 превысит напряжение на его базе, произойдет переключение VT1 в проводящее состояние, а конденсатор С5 разрядится на управляющий электрод тиристора VS1.

При включении тиристора цепочка конденсаторов С1 — С4, заряженных до напряжения около 600...620 В, разряжается на низковольтную обмотку повышающего трансформатора Т1. После этого тиристор отключается, зарядно-разрядные процессы повторяются с частотой, определяемой постоянной R4C5. Резистор R2 ограничивает ток короткого замыкания при включении тиристора и одновременно является элементом зарядной цепи конденсаторов С1 — С4.

Схема преобразователя (рис. 11.20) и его упрощенного варианта (рис. 11.21) подразделяется на следующие узлы: сетевой заградительный фильтр (фильтр помех); электронный регулятор; высоковольтный трансформатор.

Рис. 11.20. Электрическая схема генератора высокого напряжения с сетевым фильтром.

Рис. 11.21. Электрическая схема генератора высокого напряжения с сетевым фильтром.

Схема на рис. 11.20 работает следующим образом. Конденсатор СЗ заряжается через диодный выпрямитель VD1 и резистор R2 до амплитудного значения напряжения сети (310 В). Это напряжение попадает через первичную обмотку трансформатора Т1 на анод тиристора VS1. По другой ветви (R1, VD2 и С2) медленно заряжается конденсатор С2. Когда в процессе его заряда достигается пробивное напряжение динистора VD4 (в пределах 25...35 В), конденсатор С2 разряжается через управляющий электрод тиристора VS1 и открывает его.

Конденсатор СЗ практически мгновенно разряжается через открытый тиристор VS1 и первичную обмотку трансформатора Т1. Импульсный изменяющийся ток индуцирует во вторичной обмотке Т1 высокое напряжение, величина которого может превысить 10 кВ. После разряда конденсатора СЗ тиристор VS1 закрывается, и процесс повторяется.

В качестве высоковольтного трансформатора используют телевизионный трансформатор, у которого удаляют первичную обмотку. Для новой первичной обмотки используется обмоточный провод диаметром 0,8 мм. Количество витков — 25.

Для изготовления катушек индуктивности заградительного фильтра L1, L2 лучше всего подходят высокочастотные феррито-вые сердечники, например, 600НН диаметром 8 мм и длиной 20 мм, имеющие примерно по 20 витков обмоточного провода диаметром 0,6...0,8 мм.

Рис. 11.22. Электрическая схема двухступенчатого генератора высокого напряжения с управляющим элементом на полевом транзисторе.

Двухступенчатый генератор высокого напряжения (автор — Andres Estaban de la Plaza) содержит трансформаторный генератор импульсов, выпрямитель, времязадающую RC-цепоч-ку, ключевой элемент на тиристоре (симисторе), высоковольтный резонансный трансформатор и схему управления работой тиристора (рис. 11.22).

Аналог транзистора TIP41 — КТ819А.

Низковольтный трансформаторный преобразователь напряжения с перекрестными обратными связями, собранный на транзисторах VT1 и VT2, вырабатывает импульсы с частотой повторения 850 Гц. Транзисторы VT1 и VT2 для облегчения работы при протекании больших токов установлены на радиаторах, выполненных из меди или алюминия.

Выходное напряжение, снимаемое со вторичной обмотки трансформатора Т1 низковольтного преобразователя, выпрямляется диодным мостом VD1 — VD4 и через резистор R5 заряжает конденсаторы СЗ и С4.

Управление порогом включения тиристора производится регулятором напряжения, в состав которого входит полевой транзистор ѴТЗ.

Далее работа преобразователя существенно не отличается от описанных ранее процессов: происходит периодический заряд/разряд конденсаторов на низковольтную обмотку трансформатора, генерируются затухающие электрические колебания. Выходное напряжение преобразователя при использовании на выходе в качестве повышающего трансформатора катушки зажигания от автомобиля, достигает 40...60 кВ при резонансной частоте примерно 5 кГц.

Трансформатор Т1 (выходной трансформатор строчной развертки), содержит 2x50 витков провода диаметром 1,0 мм, намотанных бифилярно. Вторичная обмотка содержит 1000 витков диаметром 0,20...0,32 мм.

Отметим, что в качестве управляемых ключевых элементов могут быть использованы современные биполярные и полевые транзисторы.

Недавно мы разобрались с , а теперь давайте займемся конденсаторами .

Конденсатор - это устройство для накопления заряда и энергии электрического поля . Конструктивно это «бутерброд» из двух проводников и диэлектрика, которым может быть вакуум, газ, жидкость, органическое или неорганическое твердое тело. Первые отечественные конденсаторы (стеклянные банки с дробью, обклеенные фольгой) делали в 1752 г. М. Ломоносов и Г. Рихман.

Что может быть интересного в конденсаторе? Приступая к работе над этой статьей я думал что смогу собрать и кратко изложить все об этой примитивной детальке. Но по мере знакомства с конденсатором, я с удивлением понимал, что здесь не рассказать и сотой доли всех сокрытых в нем тайн и чудес…

Конденсатору уже более 250 лет, но он и не думает устаревать.. Кроме того, 1 кг «обычных просто конденсаторов» хранит меньше энергии чем килограмм аккумуляторов или топливных ячеек, но способен быстрее чем они выдать ее, развивая при этом большую мощность. - При быстром разряде конденсатора можно получить импульс большой мощности, например, в фотовспышках, импульсных лазерах с оптической накачкой и коллайдерах. Конденсаторы есть практически в любом приборе, поэтому если у вас нет новых конденсаторов, для опытов их можно выпаять оттуда.

Заряд конденсатора - это абсолютное значение заряда одной из его обкладок. Он измеряется в кулонах и пропорционален числу лишних (-) или недостающих (+) электронов. Чтобы собрать заряд в 1 кулон, Вам понадобится 6241509647120420000 электрона. В пузырьке водорода, размером со спичечную головку их примерно столько же.

Поскольку способность накапливать заряды у электрода ограничена их взаимным отталкиванием, их переход на электрод не может быть бесконечным. Словно любое хранилище, конденсатор имеет вполне определенную емкость. Так она и называется — электрическая емкость . Она измеряется в фарадах и для плоского конденсатора с обкладками площадью S (каждая), расположенными на расстоянии d , емкость равна S ε 0 ε / d (при S >> d ), где ε - относительная диэлектрическая проницаемость, а ε 0 =8,85418781762039 * 10 -12 .

Емкость конденсатора также равна q/U , где q - заряд положительной обкладки, U - напряжение между обкладками. Емкость зависит от геометрии конденсатора и диэлектрической проницаемости диэлектрика, и не зависит от заряда обкладок.

В заряженном проводнике заряды стараются разбежаться друг от друга как можно дальше и потому находятся не в толще конденсатора, а в поверхностном слое металла, подобно пленке бензина на поверхности воды. Если два проводника образуют конденсатор, то эти избыточные заряды собираются друг напротив друга. Потому практически все электрическое поле конденсатора сосредоточено между его обкладками.

На каждой обкладке заряды распределяются так, чтобы быть подальше от соседей. И расположены они довольно просторно: в воздушном конденсаторе с расстоянием между пластинами 1 мм, заряженном до 120 В, среднее расстояние между электронами составляет более 400 нанометров, что в тысячи раз больше расстояния между атомами (0,1-0,3 нм), а значит на миллионы поверхностных атомов приходится всего один лишний (или недостающий) электрон.

Если уменьшить расстояние между обкладками, то силы притяжения возрастут, и при том же напряжении заряды на обкладках смогут «ужиться» плотнее. Увеличится емкость конденсатора. Так и сделал ничего не подозревавший профессор Лейденского университета ван Мушенброк. Он заменил толстостенную бутылку первого в мире конденсатора (созданного немецким священником фон Клейстом в 1745 г.) тонкой стеклянной банкой. Зарядил ее и потрогал, а очнувшись через два дня сообщил, что не согласится повторить опыт, даже если бы за это обещали французское королевство.

Если поместить между обкладками диэлектрик, то они поляризуют его, то есть притянут к себе разноименные заряды из которых он состоит. При этом будет тот же эффект как если бы обкладки приблизились. Диэлектрик с высокой относительной диэлектрической проницаемостью можно рассматривать как хороший транспортер электрического поля. Но никакой транспортер не идеален, поэтому какой бы мы чудесный диэлектрик не добавили поверх уже имеющегося, емкость конденсатора только снизится. Повысить емкость можно только если добавлять диэлектрик (а еще лучше - проводник) вместо уже имеющегося но обладающего меньшей ε.

В диэлектриках свободных зарядов почти нет. Все они зафиксированы то ли в кристаллической решетке, или в молекулах - полярных (представляющих собой диполи) или нет. Если внешнего поля нет, диэлектрик неполяризован, диполи и свободные заряды разбросаны хаотически и диэлектрик собственного поля не имеет. в электрическом поле он поляризуется: диполи ориентируются по полю. Так как молекулярных диполей очень много, то при их ориентации, плюсы и минусы соседних диполей внутри диэлектрика компенсируют друг друга. Нескомпенсированными остаются только поверхностные заряды - на одной поверхности - одного, на другой - другого. Свободные заряды во внешнем поле также дрейфуют и разделяются.

При этом разные процессы поляризации идут с разной скоростью. Одно дело - смещение электронных оболочек, происходящее практически мгновенно, другое дело - поворот молекул, особенно больших, третье - миграция свободных зарядов. Последние два процесса, очевидно, зависят от темературы, и в жидкостях идут гораздо шустрее, чем в твердых телах. Если нагреть диэлектрик, повороты диполей и миграция зарядов ускорится. Если поле выключить, деполяризация диэлектрика происходит тоже не мгновенно. Он остается некоторое время поляризованным, пока тепловое движение не разбросает молекулы в исходное хаотическое состояние. Поэтому, для конденсаторов, где переключается полярность с высокой частотой пригодны только неполярные диэлектрики: фторопласт, полипропилен.

Если разобрать заряженный конденсатор, а потом собрать (пластмассовым пинцетом), энергия никуда не денется, и светодиод сможет моргнуть. Он даже моргнет если подключить его к конденсатору в разобранном состоянии. Оно и понятно - при разборке заряд с пластин никуда не делся, а напряжение даже выросло, поскольку уменьшилась емкость и теперь обкладки прямо-таки распирает от зарядов. Стоп, как это напряжение выросло, ведь тогда вырастет и энергия? Так и есть, мы же сообщили системе механическую энергию, преодолевая кулоновское притяжение обкладок. Собственно, в этом и фишка электризации трением - зацепить электроны на расстоянии порядка размеров атомов и оттащить на макроскопическое расстояние, тем самым повысив напряжение с нескольких вольт (а таково напряжение в химических связях) до десятков и сотен тысяч вольт. Теперь понятно, почему синтетическая кофта бьется током не когда ее носишь, а только когда ее снимаешь? Стоп, а почему не до миллиардов? Дециметр же в миллиард раз больше ангстрема, на котором мы урвали электроны? Да потому что работа по перемещению заряда в электрическом поле равна интегралу Eq по d и это самое E ослабевает с расстояние квадратично. А если бы на всем дециметре между кофтой и носом было такое же поле как внутри молекул, то щелкнул бы по носу и миллиард вольт.

Проверим это явление - повышение напряжения при растягивании конденсатора - экспериментально. Я написал простую программку на Visual Basic для приема данных с нашего контроллера ПМК018 и вывода их на экран. В общем, берем две 200х150 мм пластины текстолита, покрытого с одной стороны фольгой и припаиваем проводки, идущие к измерительному модулю. Затем кладем на одну из них диэлектрик - лист бумаги - и накрываем второй пластиной. Пластины прилегают неплотно, поэтому придавим их сверху корпусом авторучки (если давить рукой, то можно создать помехи).

Схема измерения простая: потенциометр R 1 устанавливает напряжение (в нашем случае это 3 вольта), подаваемое на конденсатор, а кнопка S 1 служит для того чтобы подавать его на конденсатор, или не подавать.

Итак, нажмем и отпустим кнопку - мы увидим график, показанный слева. Конденсатор быстро разряжается через вход осциллографа. Теперь попробуем во время разряда ослабить давление на пластины - увидим пик напряжения на графике (справа). Это как раз искомый эффект. При этом расстояние между обкладками конденсатора растет, емкость падает и потому конденсатор начинает разряжаться еще быстрее.

Тут я не на шутку задумался.. Кажется, мы на пороге великого изобретения…Ведь если при раздвигании обкладок на них растет напряжение, а заряд остается прежним, то можно ведь взять два конденсатора, на одном раздвигать на них обкладки, а в точке максимального раздвижения передать заряд неподвижному конденсатору. Потом вернуть обкладки на место и повторить то же самое наоборот, раздвигая другой конденсатор. По идее напряжение на обоих конденсаторах будет расти с каждым циклом в определенное число раз. Отличная идея для электрогенератора! Можно будет создать новые конструкции ветряков, турбин и всего такого! Так, прекрасно… для удобства можно разместить все это на двух дисках, вращающихся в противоположные стороны…. ой что же это… тьфу, это же школьная электрофорная машина! :(

В качестве генератора она не прижилась, так как неудобно иметь дело с такими напряжениями. Но на наноуровне все может измениться. Магнитные явления в наноструктурах во много раз слабее электрических, а электрические поля там, как мы уже убедились, огромны, поэтому молекулярная электрофорная машина может стать весьма популярной.

Конденсатор как хранитель энергии

Убедиться, что в самом ничтожнейшем конденсаторе хранится энергия очень легко. Для этого нам понадобится прозрачный светодиод красного свечения и источник постоянного тока (батарейка 9 вольт подойдет, но если номинальное напряжение конденсатора позволяет, лучше взять побольше). Опыт заключается в том чтобы зарядить конденсатор, а потом подключить к нему светодиод (не забываем про полярность), и смотреть как он моргнет. В темной комнате видна вспышка даже от конденсаторов в десятки пикофарад. Это каких-нибудь сто миллионов электронов испускают сто миллионов фотонов. Впрочем это не предел, ведь человеческий глаз может замечать куда более слабый свет. Просто я не нашел еще менее ёмких конденсаторов. Если же счет пошел на тысячи микрофарад, пожалейте светодиод, а вместо этого замыкайте конденсатор на металлический предмет чтобы увидеть искру - очевидное свидетельство наличия в конденсаторе энергии.

Энергия заряженного конденсатора ведет себя во многом подобно потенциальной механической энергии - энергии сжатой пружины, поднятого на высоту груза или водонапорного бачка (а энергия катушки индуктивности, наоборот, подобна кинетической). Способность конденсатора накапливать энергию издавна применяется для обеспечения непрерывной работы устройств при кратковременных спадах питающего напряжения - от часов до трамваев.

Конденсатор также используется для накопления «почти вечной» энергии, вырабатываемой тряской, вибрацией, звуком, детектированием радиоволн или излучения электросетей. Мало-помалу накопленная энергия от таких слабых источников в течение долгого времени позволяет затем некоторое время работать беспроводным датчикам и другим электронным приборам. На этом принципе основана вечная «пальчиковая» батарейка для устройств со скромным энергопотреблением (вроде ТВ пультов). В ее корпусе находится конденсатор емкостью 500 миллифарад и генератор, подпитывающий его при колебаниях с частотой 4-8 герц дармовой мощностью от 10 до 180 милливатт. Разрабатываются генераторы на основе пьезоэлектрических нанопроводков, способные направлять в конденсатор энергию таких слабых вибраций, как биения сердца, удары подошв обуви по земле, и вибрации технического оборудования.

Еще один источник дармовой энергии - торможение. Обычно при торможении транспорта энергия переходит в тепло, а ведь ее можно сохранить и затем использовать при разгоне. Особенно остро стоит эта проблема для общественного транспорта, который тормозит и разгоняется у каждой остановки, что ведет к значительному расходу топлива и загрязнению атмосферы выхлопами. В Саратовской области в 2010 г. фирмой «Элтон» создан «Экобус» - экспериментальная маршрутка с необычными электродвигателями «мотор-колесо» и суперконденсаторами - накопителями энергии торможения, снижающими энергопотребление на 40%. Там применены материалы, разработанные в проекте «Энергия-Буран», в частности, углеродная фольга. Вообще, благодаря созданной еще в СССР научной школе, Россия является одним из мировых лидеров в сфере разработки и производства электрохимических конденсаторов. Например, продукция «Элтона» экспортируется за рубеж с 1998 года, а недавно в США началось производство этих изделий по лицензии российской компании.

Емкость одного современного конденсатора (2 фарады, фото слева) в тысячи раз превышает емкость всего земного шара. Они способны хранить электрический заряд в 40 Кулон!

Используются они, как правило, в автомобильных аудиосистемах, чтобы снизить пиковую нагрузку на электропроводку автомобиля (в моменты мощных бас-ударов) и за счёт огромной ёмкости конденсатора подавить все высокочастотные помехи в бортовой сети.

А вот этот советский «дедушкин сундучок» для электронов (фото справа) не столь емок, но зато выдерживает напряжение в 40.000 вольт (обратите внимание на фарфоровые чашечки, защищающие все эти вольты от пробоя на корпус конденсатора). Это очень удобно для «электромагнитной бомбы», в которой конденсатор разряжается на медную трубочку, которая в тот же момент сжимается снаружи взрывом. Получается очень мощный электромагнитный импульс, выводящий из строя радиоаппаратуру. Кстати, при ядерном взрыве, в отличие от обычного, тоже выделяется электромагнитный импульс, что еще раз подчеркивает сходство уранового ядра с конденсатором. Кстати, такой конденсатор вполне можно напрямую зарядить статическим электричеством от расчески, только конечно заряжать до полного напряжения придется долго. Зато можно будет повторить печальный опыт ван Мушенброка в очень усугубленном варианте.

Если просто потереть об волосы авторучку (расческу, воздушный шарик, синтетическое белье и т.п.), то светодиод от нее гореть не будет. Это потому, что избыточные (отнятые у волос) электроны заневолены каждый в своей точке на поверхности пластика. Поэтому если даже мы и попадем выводом светодиода в какой-то электрон, другие не смогут устремиться за ним и создать нужный для заметного невооруженным глазом свечения светодиода ток. Другое дело, если перенести заряды с авторучки в конденсатор. Для этого возьмем конденсатор за один вывод и буде тереть авторучку по очереди то о волосы, то о свободный вывод конденсатора. Почему именно тереть? Чтобы по максимуму собрать урожай электронов со всей поверхности ручки! Несколько раз повторим этот цикл и подключим к конденсатору светодиод. Он моргнет, причем только при соблюдении полярности. Так конденсатор стал мостиком между мирами «статического» и «обычного» электричества:)

Я взял для этого опыта высоковольтный конденсатор, опасаясь пробоя низковольтного, но оказалось, что это излишняя предосторожность. При ограниченной подаче заряда напряжение на конденсаторе может быть намного меньше напряжения источника питания. Конденсатор может преобразовывать большое напряжение в малое. Например, статическое высоковольтное электричество - в обычное. В самом деле, есть ли разница: зарядить конденсатор одним микрокулоном от источнка напряжением 1 В или 1000 В? Если этот конденсатор настолько емкий, что от заряда в 1 мкКл на нем напряжение не повысится выше напряжения одновольтового источника питания (т.е. емкость его выше 1 мкф), то разницы нет. Просто если не ограничивать принудительно кулоны, то от высоковольного источника их захочет прибежать больше. Да и тепловая мощность, выделившаяся на выводах конденсатора будет больше (а количество теплоты то же, просто оно быстрее выделится, оттого и мощность больше).

В общем, видимо, для этого опыта годится любой конденсатор емкостью не более 100 нф. Можно и более, но понадобится долго его заряжать чтобы получить достаточное для светодиода напряжение. Зато, если токи утечки в конденсаторе невелики, светодиод будет гореть дольше. Можно подумать о создании на этом принципе устройства подзарядки сотового телефона от трения его об волосы во время разговора:)

Отличным высоковольтным конденсатором является отвертка. При этом ручка ее служит диэлектриком, а металлический стержень и рука человека - обкладками. Мы знаем, что натертая об волосы авторучка притягивает клочки бумаги. Если натирать об волосы отвертку то ничего не выйдет - металл не обладает способностью отнимать электроны у белков - она как не притягивала бумажки, так и не стала. Но если как в предыдущем опыте тереть ее заряженной авторучкой - отвертка, вследствие своей малой емкости, быстро заряжается до высокого напряжения и бумажки начинают к ней притягиваться.

Светится от отвертки и светодиод. На фото нереально поймать краткий миг его вспышки. Но - вспомним свойства экспоненты - угасание-то вспышки длится долго (по меркам затвора фотоаппарата). И вот мы стали свидетелями уникального лингвистико-оптико-математического явления: экспонента экспонировала-таки матрицу фотоаппарата!

Впрочем, к чему такие сложности - есть же видеосъемка. На ней видно, что вспыхивает светодиод довольно ярко:

Когда конденсаторы заряжают до высоких напряжений, начинает играть свою роль краевой эффект, состоящий в следующем. Если диэлектрик на воздухе поместить между обкладками и приложить к ним постепенно повышающееся напряжение, то при некотором значении напряжения на краю обкладки возникает тихий разряд, обнаруживаемый по характерному шуму и свечению в темноте. Величина критического напряжения зависит от толщины обкладки, остроты края, рода и толщины диэлектрика и пр. Чем диэлектрик толще, тем выше кр. Например, чем диэлектрическая постоянная диэлектрика выше, тем оно ниже. Для уменьшения краевого эффекта края обкладки заделывают в диэлектрик с высокой электрической прочностью, утолщают диэлектрик прокладку на краях, закругляют края обкладок, создают на краю обкладок зону с постепенно падающим напряжением за счет изготовления краев обкладок из материала с высоким сопротивлением, уменьшением напряжения, приходящегося на один конденсатор путем разбивки его на несколько последовательно включенных.

Вот почему отцы-основатели электростатики любили чтобы на конце электродов были шарики. Это, оказывается, не дизайнерская фишка, а способ максимально уменьшить стекание заряда в воздух. Дальше уже некуда. Если кривизну какого-то участка на поверхности шарика еще уменьшить,то неизбежно возрастет кривизна соседних участков. Да и тут по-видимому в наших электростатических делах важна не средняя а максимальная кривизна поверхности, которая минимальна, конечно у шарика.

Хм.. но если емкость тела это способность накапливать заряд, то она, наверное, весьма различна для положительных и отрицательных зарядов…. Представим себе сферический конденсатор в вакууме… От души зарядим его отрицательно, не жалея электростанций и гигаватт-часов (вот чем хорош мысленный эксперимент!)… но в какой-то момент избыточных электронов станет на этом шаре так много, что они попросту начнут разлетаться по всему вакууму, лишь бы не находиться в такой электроотрицательной тесноте. А вот с положительным зарядом такого не произойдет - электроны, как бы их мало не осталось, никуда из кристаллической решетки конденсатора не улетят.

Что же получается, положительная емкость заведомо намного больше отрицательной? Нет! Потому что электроны там вообще-то были не для нашего баловства, а для соединения атомов, и без сколь-нибудь заметной их доли, кулоновское отталкивание положительных ионов кристаллической решетки мгновенно разнесет в пыль самый бронированный конденсатор:)

На самом же деле, без вторичной обкладки, емкость «уединенных половинок» конденсатора очень мала: электроемкость уединенного куска провода диаметром 2 мм и длиной 1 м равна приблизительно 10 пФ, а всего земного шара - 700 мкф.

Можно построить абсолютный эталон емкости, рассчитав его емкость по физическим формулам исходя из точных измерений размеров обкладок. Так и сделаны самые точные конденсаторы в нашей стране, которые находятся в двух местах. Государственный эталон ГЭТ 107-77 находится в ФГУП СНИИМ и состоит из 4-х безопорных коаксиально-цилиндрических конденсаторов, емкость которых рассчитывается с высокой точностью через скорость света и единицы длины и частоты, а также высокочастотного емкостного компаратора, позволяющего сравнивать емкости приносимых на поверку конденсаторов с эталоном (10 пф) с погрешностью менее 0,01% в диапазоне частот 1-100 МГц (фото слева).

В силовой электротехнике первым в мире применил конденсатор Павел Николаевич Яблочков в 1877 г. Он упростил и вместе с тем усовершенствовал конденсаторы Ломоносова, заменив дробь и фольгу жидкостью, и соединив банки параллельно. Ему принадлежит не только изобретение инновационных дуговых ламп, покоривших Европу, но и ряд патентов, связанных с конденсаторами. Попробуем собрать конденсатор Яблочкова, используя подсоленную воду в качестве проводящей жидкости, а в качестве банки - стеклянную банку из по овощей. Получилась емкость 0,442 нф. Заменим банку полиэтиленовым пакетом, имеющим большую площадь и во много раз меньшую толщину - емкость вырастет до 85,7 нф. (Сначала наполним пакет водой и проверим, нет ли токов утечки!) Конденсатор работает - даже позволяет моргнуть светодиодом! Он также успешно выполняет свои функции в электронных схемах

Металлические обкладки должны возможно плотно прилегать к диэлектрику, причем надо избегать введения между обкладкой и диэлектриком клеящего вещества, которое вызовет добавочные потери на переменном токе. Поэтому теперь в качестве обкладок применяют главным образом металл, химически или механически осажденный на диэлектрик (стекло) или плотно припрессованный к нему (слюда).

Можно вместо слюды использовать кучу разных диэлектриков, каких угодно. Измерения (для диэлектриков равной толщины) показали, что у воздуха ε самое маленькое, у фторопласта побольше, у силикона еще больше, а у слюды даже еще больше, а у цирконат-титаната свинца оно просто огромно. Именно так по науке и должно быть - ведь во фторопласте электроны, можно сказать, намертво прикованы фтороуглеродными цепями и могут лишь чуть-чуть отклониться - там даже с атома на атом электрону некуда перескочить.

Генераторы импульсных напряжений (ГИН) служат для испытания изоляции электрооборудования грозовыми импульсами с целью координации электрической прочности изоляции с воздействующими на нее грозовыми перенапряжениями. Испытания проводятся полными стандартными импульсами 1,2/50 мкс, а также срезанными импульсами при предразрядном времени 2-3 мкс.

ГИН представляет собой батарею конденсаторов высокого напряжения, работающих в режиме заряд-разряд и обеспечивающих при разряде весьма высокие импульсные напряжения. Конденсаторы в зарядном режиме включены параллельно, а в разрядном – последовательно. Переключение конденсаторов осуществляется с помощью искровых разрядников (обычно шаровых). Кроме того ГИН включает в себя измерительное устройство и устройство для заземления и снятия остаточных зарядов с конденсаторов после окончания работы.

Рассмотрим схему многоступенчатого или многокаскадного ГИН (рис.10.10.). Работа ГИН, как уже отмечалось выше, складывается из двух стадий: заряда и разряда. Длительность разряда в несколько миллионов раз меньше длительности заряда, чем и достигается большая мощность испытательного импульса.

Рассмотрим подробнее обе стадии работы ГИН. В стадии заряда конденсаторы С заряжаются от выпрямительной установки через защитный резистор R защ и зарядные резисторы R з . Резистор R защ предотвращает перегрузку трансформатора Т и вентиля В в первый момент, когда напряжения на конденсаторах равно нулю. Поскольку R защ >> R з , то конденсаторы С практически оказываются соединенными параллельно и одновременно заряжаются до одинаковых напряжений: U о = 150-200 кВ. Полное время заряда ГИН достигает нескольких десятков секунд при сравнительно низких напряжениях и несколько минут у ГИН на очень высокие напряжения.

После пробоя ПР 1 точка 5 получает потенциал 2U о , а в точке 6 потенциал повышается до значения 3U о , что приводит к срабатыванию разрядника ПР 2 . Аналогично срабатывают промежуточные разрядники всех ступеней ГИН. Процесс поочередного автоматического срабатывания искровых разрядников обеспечивает быстрый автоматический переход заряженных конденсаторов с параллельного соединения на последовательное, в результате чего напряжение конденсаторов суммируется и становится близким к значениям nU о (где n – число конденсаторов ГИН).

Под действием этого напряжения отсекающий разрядник ОР пробивается и на объекте испытания ОИ возникает импульс высокого напряжения в несколько сотен тысяч и даже миллионов вольт. Напряжение на объекте испытания будет постепенно возрастать от нуля до максимума, а затем спадает до нуля. Форма импульса напряжения была подробно рассмотрена в главе 4.

Величина напряжения импульса регулируется путем изменения зарядного напряжения конденсаторов U о . При этом, естественно, подлежит регулированию также и расстояние между электродами искровых промежутков. Регулирование осуществляется дистанционно.

Пуск ГИН может осуществляться и без управляющего импульса, подаваемого на ЗР. Если промежуток ЗР установить на пробивное напряжение, равное заданному значению U о , то ГИН будет «самостоятельно» срабатывать каждый раз, как только напряжение на конденсаторах достигнет значения U о . Напряжение U 1 = nU o называется суммарным зарядным напряжением ГИН.

Наибольшее суммарное зарядное напряжение, определяемое номинальным напряжением конденсаторов, является одной из паспортных величин ГИН (nU ном ). Другой паспортной величиной является наибольшее значение запасенной в ГИН энергии (nCU 2 ном /2 ).

Амплитуда импульса напряжения, создаваемого ГИН, определяется соотношением

где h - коэффициент использования ГИН, который лежит в пределах

Длительность фронта и длительность импульса регулируют подбором фронтового резистора R ф , разрядного резистора R р и фронтовой емкости С Ф .

Мощность зарядного трансформатора Т в первом приближении определяется средним значением удвоенной величины энергии, запасаемой в конденсаторах в единицу времени.

Емкость ГИН в разряде;

- суммарная емкость, равная сумме емкостей объекта С о , соединительных проводов С П и оборудования, подключенного параллельно объекту С Ф .

R Ф так называемое «фронтовое» сопротивление, включаемое для увеличения

длительности фронта импульса;

R p – разрядное сопротивление (им может быть делитель напряжения).

После замыкания ключа S, соответствующего пробою искровых промежутков, в схеме возникает переходный процесс, в результате которого на выходе схемы появляется апериодический импульс напряжения u 2 .

Система уравнений, составленных по законам Кирхгофа для послекоммутационной схемы имеет вид:

(6.1)

Выразим токи i p и i через u 2 :

; ;

и подставим эти значения во второе уравнение системы (10.1):

Продифференцируем это уравнение:

и приведем подобные члены:

Разделим все члены этого уравнения на R Ф С х и получим приведенное дифференциальное уравнение второго порядка:

Решение дифференциального уравнения (10.2) будем искать, используя классический метод, в виде суммы установившейся и свободной составляющих:

Установившаяся составляющая, определяемая видом правой части уравнения (10.2), равна нулю, а свободная составляющая ищется в виде:

где А 1 и А 2 – постоянные интегрирования, определяемые из начальных

р 1 и р 2 – корни характеристического уравнения.

Характеристическое уравнение дифференциального уравнения (10.2) имеет вид:

.

Обозначим R р С Г = Т 1 и R Ф С Х = Т 2 .

Используя соотношения для корней квадратного уравнения:

;

можно приближенно определить корни характеристического уравнения

.

Следовательно напряжение U 2 на выходе ГИН будет изменяться по закону:

. (6.3)

Постоянные интегрирования определим из начальных условий (НУ): t = 0 , u 1 = nU o , u 2 = 0 .

Подставив НУ в уравнение (10.3), получим:

Продифференцируем уравнение (10.3):

и подставим в него НУ:

. (6.5)

Решая уравнения (10.4) и (10.5), определим А 1 и А 2 :

; .

Следовательно выходное напряжение ГИН будет изменяться по закону:

. (6.6)

Кривая, построенная по уравнению (10.6) приведена на рис.6.12.

На основании проведенного анализа можно заключить, что скорость заряда емкости С х через резистор R Ф (или постоянная времени Т 2 = R Ф С х ) определяет время нарастания напряжения u 2 , т.е. длительность фронта импульса t Ф . Скорость же разряда емкости С Г на сопротивление R р (или постоянная времени Т 1 = R р С г ) определяет в основном длительность импульса t u . Таким образом, время нарастания и длину импульса регулируют, подбирая С Ф , R Ф и R р .

Длительность импульса и длительность фронта импульса связаны с параметрами схемы ГИН (при импульсах с крутым фронтом) соотношениями:

;

.

Отсюда следует, что стандартные грозовые импульсы генерируются при Т 1 = 71,5 мкс и Т 2 = 0,5 мкс.

Перед испытанием полным импульсом при напряжении, составляющем 50-60 % испытательного с помощью делителя напряжения и осциллографа проверяется форма импульса, а также производится градуировка измерительного устройства. Затем напряжение импульса доводят до нормированного значения с точностью ± 3 %. Испытательное напряжение устанавливают с учетом атмосферных условий во время испытаний.

Генераторы внутренних перенапряжений (ГВП) генерируют коммутационные импульсы напряжения. Для получения апериодических коммутационных импульсов с длительностью фронта до 1000 мкс применяются генераторы импульсных напряжений, рассмотренные в разделе 10.4. Увеличение длительности фронта достигается включением большого фронтового сопротивления и дополнительной емкости параллельно объекту испытания.

Для генерирования колебательных коммутационных импульсов может быть использована схема, показанная на рис.10.13. Испытательный трансформатор Т возбуждается от двух встречно включенных колебательных контуров. Для этого предварительно от выпрямительной установки заряжаются до одинакового напряжения батареи конденсаторов С 1 и С 2 .

Пуск схемы осуществляется управляющим импульсом напряжения U y , вызывающим пробой шарового разрядника ШР. При этом начинается колебательный разряд в контурах С 1 – L 1 и C 2 – L 2 . Собственные частоты контуров выбираются существенно различными (f 2 = 3 – 5 f 1 ) и на обмотку низшего напряжения подается колебательный затухающий импульс, плавно нарастающий с нуля. Такой же формы импульс генерируется в обмотке высшего напряжения испытательного трансформатора.

ГВП на основе высоковольтных трансформаторов могут генерировать напряжения сравнительно низких частот, лимитируемых индуктивностью трансформаторов. Более высокочастотные импульсы перенапряжений могут быть получены с помощью ГВП, в которых происходит наложение импульсов от двух встречно включенных ГИН, один из которых содержит реакторы L 1 , а другой резисторы R 1 (рис.10.14).

Заряд обоих ГИН от источника постоянного напряжения происходит одновременно. В момент перекрытия разрядного промежутка P 3 каскадно срабатывают промежутки Р 1 , Р 2 и Р 4 , Р 5 . Разряд конденсаторов С 1 на реакторы L 1 вызывает появление на них периодически изменяющегося затухающего напряжения с частотой . Это напряжение суммируется с апериодическим импульсом напряжения, возникающим на резисторах R 1 от разряда на них конденсаторов С 2

Если соединить резистор и конденсатор, то получится пожалуй одна из самых полезных и универсальных цепей.

О многочисленных способах применения которой я сегодня и решил рассказать. Но вначале про каждый элемент в отдельности:

Резистор — его задача ограничивать ток. Это статичный элемент, чье сопротивление не меняется, про тепловые погрешности сейчас не говорим — они не слишком велики. Ток через резистор определяется законом ома — I=U/R , где U напряжение на выводах резистора, R — его сопротивление.

Конденсатор штука поинтересней. У него есть интересное свойство — когда он разряжен то ведет себя почти как короткое замыкание — ток через него течет без ограничений, устремляясь в бесконечность. А напряжение на нем стремится к нулю. Когда же он заряжен, то становится как обрыв и ток через него течь перестает, а напряжение на нем становится равным заряжающему источнику. Получается интересная зависимость — есть ток, нет напряжения, есть напряжение — нет тока.

Чтобы визуализировать себе этот процесс, представь ган… эмм.. воздушный шарик который наполняется водой. Поток воды — это ток. Давление воды на упругие стенки — эквивалент напряжения. Теперь смотри, когда шарик пуст — вода втекает свободно, большой ток, а давления еще почти нет — напряжение мало. Потом, когда шарик наполнится и начнет сопротивляться давлению, за счет упругости стенок, то скорость потока замедлится, а потом и вовсе остановится — силы сравнялись, конденсатор зарядился. Есть напряжение натянутых стенок, но нет тока!

Теперь, если снять или уменьшить внешнее давление, убрать источник питания, то вода под действием упругости хлынет обратно. Также и ток из конденсатора потечет обратно если цепь будет замкнута, а напряжение источника ниже чем напряжение в конденсаторе.

Емкость конденсатора. Что это?
Теоретически, в любой идеальный конденсатор можно закачать заряд бесконечного размера. Просто наш шарик сильней растянется и стенки создадут большее давление, бесконечно большое давление.
А что же тогда насчет Фарад, что пишут на боку конденсатора в качестве показателя емкости? А это всего лишь зависимость напряжения от заряда (q = CU). У конденсатора малой емкости рост напряжения от заряда будет выше.

Представь два стакана с бесконечно высокими стенками. Один узкий, как пробирка, другой широкий, как тазик. Уровень воды в них — это напряжение. Площадь дна — емкость. И в тот и в другой можно набузолить один и тот же литр воды — равный заряд. Но в пробирке уровень подскочит на несколько метров, А в тазике будет плескаться у самого дна. Также и в конденсаторах с малой и большой емкостью.
Залить то можно сколько угодно, но напряжение будет разным.

Плюс в реале у конденсаторов есть пробивное напряжение, после которого он перестает быть конденсатором, а превращается в годный проводник:)

А как быстро заряжается конденсатор?
В идеальных условиях, когда у нас бесконечно мощный источник напряжения с нулевым внутренним сопротивлением, идеальные сверхпроводящие провода и абсолютно безупречный конденсатор — этот процесс будет происходить мгновенно, с временем равным 0, равно как и разряд.

Но в реальности всегда существуют сопротивления, явные — вроде банального резистора или неявные, такие как сопротивление проводов или внутреннее сопротивление источника напряжения.
В этом случае скорость заряда конденсатора будет зависить от сопротивлений в цепи и емкости кондера, а сам заряд будет идти по экспоненциальному закону .

А у этого закона есть пара характерных величин:

• Т — постоянная времени , это время при котором величина достигнет 63% от своего максимума. 63% тут взялись не случайно, тут прямая завязка на такую формулу VALUE T =max—1/e*max.
• 3T — а при троекратной постоянной значение достигнет 95% своего максимума.

Постоянная времени для RC цепи Т=R*C .

Чем меньше сопротивление и меньше емкость, тем быстрей конденсатор заряжается. Если сопротивление равно нулю, то и время заряда равно нулю.

Рассчитаем за сколько зарядится на 95% конденсатор емкостью 1uF через резистор в 1кОм:
T= C*R = 10 -6 * 10 3 = 0.001c
3T = 0.003c через такое время напряжение на конденсаторе достигнет 95% от напряжения источника.

Разряд пойдет по тому же закону, только вверх ногами. Т.е. через Твремени в на конденсаторе остаенется всего лишь 100% — 63% = 37% от первоначального напряжения, а через 3T и того меньше — жалкие 5%.

Ну с подачей и снятием напряжения все ясно. А если напряжение подали, а потом еще ступенчато подняли, а разряжали также ступеньками? Ситуация тут практически не изменится — поднялось напряжение, конденсатор дозарядился до него по тому же закону, с той же постоянной времени — через время 3Т его напряжение будет на 95% от нового максимума.
Чуть понизилось — подразрядился и через время 3Т напряжение на нем будет на 5% выше нового минимума.
Да что я тебе говорю, лучше показать. Сварганил тут в мультисиме хитровыдрюченный генератор ступечнатого сигнала и подал на интегрирующую RC цепочку:

Видишь как колбасится:) Обрати внимание, что и заряд и разряд, вне зависимости от высоты ступеньки, всегда одной длительности!!!

А до какой величины конденсатор можно зарядить?
В теории до бесконечности, этакий шарик с бесконечно тянущимися стенками. В реале же шарик рано или поздно лопнет, а конденсатор пробьет и закоротит. Вот поэтому у всех конденсаторов есть важный параметр — предельное напряжение . На электролитах его часто пишут сбоку, а на керамических его надо смотреть в справочниках. Но там оно обычно от 50 вольт. В общем, выбирая кондер надо следить, чтобы его предельное напряжение было не ниже того которое в цепи. Добавлю что при расчете конденсатора на переменное напряжение следует выбирать предельное напряжение в 1.4 раза выше. Т.к. на переменном напряжении указывают действующее значение, а мгновенное значение в своем максимуме превышает его в 1.4 раза.

Что следует из вышеперечисленного? А то что если на конденсатор подать постоянное напряжение, то он просто зарядится и все. На этом веселье закончится.

А если подать переменное? То очевидно, что он будет то заряжаться, то разряжаться, а в цепи будет туда и обратно гулять ток. Движуха! Ток есть!

Выходит, несмотря на физический обрыв цепи между обкладками, через конденсатор легко протекает переменный ток, а вот постоянному слабо.

Что нам это дает? А то что конденсатор может служить своего рода сепаратором, для разделения переменного тока и постоянного на соответствующие составляющие.

Любой изменяющийся во времени сигнал можно представить как сумму двух составляющих — переменной и постоянной.

Например, у классической синусоиды есть только переменная часть, а постоянная равна нулю. У постоянного же тока наоборот. А если у нас сдвинутая синусоида? Или постоянная с помехами?

Переменная и постоянная составляющие сигнала легко разделяются!
Чуть выше я тебе показал как конденсатор дозаряжается и подразряжается при изменениях напряжения. Так что переменная составляющая сквозь кондер пройдет на ура, т.к. только она заставляет конденсатор активно менять свой заряд. Постоянная же как была так и останется и застрянет на конденсаторе.

Но чтобы конденсатор эффективно разделял переменную составляющую от постоянной частота переменной составляющей должна быть не ниже чем 1/T

Возможны два вида включения RC цепочки:
Интегрирующая и дифференцирующая . Они же фильтр низких частот и фильтр высоких частот.

Фильтр низких частот без изменений пропускает постоянную составляющую (т.к. ее частота равна нулю, ниже некуда) и подавляет все что выше чем 1/T. Постоянная составляющая проходит напрямую, а переменная составляющая через конденсатор гасится на землю.
Такой фильтр еще называют интегрирующей цепочкой потому, что сигнал на выходе как бы интегрируется. Помнишь что такое интеграл? Площадь под кривой! Вот тут она и получается на выходе.

А дифференцирующей цепью ее называют потому, что на выходе у нас получается дифференциал входной функции, который есть не что иное как скорость изменения этой функции.

• На участке 1 происходит заряд конденсатора, а значит через него идет ток и на резисторе будет падение напряжения.
• На участке 2 происходит резкое увеличение скорости заряда, а значит и ток резко возрастет, а за ним и падение напряжения на резисторе.
• На участке 3 конденсатор просто удерживает уже имеющийся потенциал. Ток через него не идет, а значит на резисторе напряжение тоже равно нулю.
• Ну и на 4м участке конденсатор начал разряжаться, т.к. входной сигнал стал ниже чем его напряжение. Ток пошел в обратную сторону и на резисторе уже отрицательное падение напряжения.

А если подать на вход прямоугольнй импульс, с очень крутыми фронтами и сделать емкость конденсатора помельче, то увидим вот такие иголки:

прямоугольник. Ну, а чо? Правильно — производная от линейной функции есть константа, наклон этой функции определяет знак константы.

Короче, если у тебя сейчас идет курс матана, то можешь забить на богомерзкий Mathcad, отвратный Maple, выбросить из головы матричную ересь Матлаба и, достав из загашников горсть аналоговой рассыпухи, спаять себе истинно ТРУЪ аналоговый компьютер:) Препод будет в шоке:)

Правда на одних только резисторах кондерах интеграторы и диффернциаторы обычно не делают, тут юзают операционные усилители. Можешь пока погуглить на предмет этих штуковин, любопытная вещь:)

А вот тут я подал обычный приямоугольный сигнал на два фильтра высоких и низких частот. А выходы с них на осциллограф:

Вот, чуть покрупней один участок:

При старте кондер разряжен, ток через него вваливат на полную, а напряжение на нем мизерное — на входе RESET сигнал сброса. Но вскоре конденсатор зарядится и через время Т его напряжение будет уже на уровне логической единицы и на RESET перестанет подаваться сигнал сброса — МК стартанет.
А для AT89C51 надо с точностью наоборот RESET организовать — вначале подать единицу, а потом ноль. Тут ситуация обратная — пока кондер не заряжен, то ток через него течет большой, Uc — падение напряжения на нем мизерное Uc=0. А значит на RESET подается напряжение немногим меньше напряжения питания Uпит-Uc=Uпит.
Но когда кондер зарядится и напряжение на нем достигнет напряжения питания (Uпит=Uс), то на выводе RESET уже будет Uпит-Uc=0

Аналоговые измерения
Но фиг сними с цепочками сброса, куда прикольней использовать возможность RC цепи для замера аналоговых величин микроконтроллерами в которых нет АЦП.
Тут используется тот факт, что напряжение на конденсаторе растет строго по одному и тому же закону — экспоненте. В зависимости от кондера, резистора и питающего напряжения. А значит его можно использовать как опорное напряжение с заранее известными параметрами.

Работает просто, мы подаем напряжение с конденсатора на аналоговый компаратор, а на второй вход компаратора заводим измеряемое напряжение. И когда хотим замерить напряжение, то просто вначале дергаем вывод вниз, чтобы разрядить конденсатор. Потом возвращем его в режим Hi-Z, cбрасываем и запускаем таймер. А дальше кондер начинает заряжаться через резистор и как только компаратор доложит, что напряжение с RC догнало измеряемое, то останавливаем таймер.

Зная по какому закону от времени идет возрастание опорного напряжения RC цепи, а также зная сколько натикал таймер, мы можем довольно точно узнать чему было равно измеряемое напряжение на момент сработки компаратора. Причем, тут не обязательно считать экспоненты. На начальном этапе зарядки кондера можно предположить, что зависимость там линейная. Или, если хочется большей точности, аппроксимировать экспоненту кусочно линейными функциями, а по русски — отрисовать ее примерную форму несколькими прямыми или сварганить таблицу зависимости величины от времени, короче, способов вагон просто.

Если надо заиметь аналоговую крутилку, а АЦП нету, то можно даже компаратор не юзать. Дрыгать ножкой на которой висит конденсатор и давать ему заряжаться через перменный резистор.

По изменению Т, которая, напомню T=R*C и зная что у нас С = const, можно вычислить значение R. Причем, опять же необязательно подключать тут математический аппарат, в большинстве случаев достаточно сделать замер в каких-нибудь условных попугаях, вроде тиков таймера. А можно пойти другим путем, не менять резистор, а менять емкость, например, подсоединяя к ней емкость своего тела… что получится? Правильно — сенсорные кнопки!

Если что то непонятно, то не парься скоро напишу статью про то как прикрутить к микроконтроллеру аналоговую фиговину не используя АЦП. Там подробно все разжую.