Что такое постоянная составляющая

Эта непостоянная постоянная составляющая: что делать?

Analog Devices AD822

Владимир Рентюк, Запорожье, Украина

Ситуация, когда в полезном сигнале имеется постоянная составляющая, достаточно обычна. Эта составляющая может быть представлена некоторым фиксированным смещением или иметь нестационарный, плавающий характер. Как правило, она является паразитной и мешает производить обработку полезного переменного сигнала. Таким образом, возникает необходимость ее устранения, и обычно для этого используется разделительный конденсатор. Безусловно, это самое распространенное решение, и сразу вспоминается шутка, которой маститые инженеры вводят в ступор новичков, задавая им простой вопрос: как быстро доказать, что конденсатор проводит переменный ток и не пропускает постоянный. И на все их долгие и пространные объяснения показывают свое (Рисунок 1).

а) б)
Рисунок 1.	Конденсатор для напряжения постоянного и переменного токов. Постоянный ток «уперся» в конденсатор и дальше пройти не может (а), а переменный его «обходит» (б).

Если все изложенное является критичным, то на первый план выходит компенсация постоянной составляющей внешним смещением или задание строго необходимого при наличии некоторой постоянной составляющей в структуре сигнала. Подход хороший, но только если точно известно, какая она (постоянная составляющая) будет, и будет ли она постоянной. Причем, не только во времени, а и, в зависимости от внешних условий, как минимум, от температуры. Если не будет точной компенсации, то в случае, например, измерения среднеквадратичного значения сигнала, будет допущена ошибка. Еще один момент кроется в том, что если аналоговая часть, допустим некоторый масштабирующий усилитель, подключается на вход АЦП микроконтроллера, то для получения максимального динамического диапазона необходимо поднять аналоговый сигнал на величину напряжения, равную половине напряжения питания микроконтроллера или половине максимального номинального напряжения, допустимого для входа его АЦП.

Автору статьи пришлось однажды искать решение для, скажем так, «изделия специального назначения». В нем был блок обработки сигналов с большим динамическим диапазоном, поступающих с некого сенсора через систему сложных, переключаемых в зависимости от ситуации фильтров. Причем спектр этого сигнала достаточно широк, а его низкочастотная составляющая могла лежать в области инфранизких частот. Вычислитель осуществлял контроль среднеквадратичного уровня сигнала и при его отклонении в пределах ±1% выдавал некую очень важную команду. Кроме переменной составляющей, входной сигнал в своей структуре содержал еще и неизвестное по величине и меняющееся по уровню постоянное напряжение смещения. Вдобавок, на печатной плате не было лишнего места, и даже ее высота была ограничена, Ну и, коль это было «изделие специального назначения», то и требования к нему по ударо- и вибростойкости были специальные. Как видим, ни о каких разделительных конденсаторах или о подаче компенсирующего смещения речь даже не могла идти. Схемное решение, которое решило проблему такой необычной компенсации постоянной составляющей исходного сигнала (без разделительного конденсатора) и задания фиксированного и строго определенного смещения, приведено на Рисунке 2. Впервые в общем виде оно было опубликовано в [1].

Рисунок 2.	Схема цепи ультразвукового сенсора, использующая компенсацию постоянной составляющей входного сигнала [1].

Для предлагаемой схемы желательно использовать операционный усилитель (ОУ) типа «rail-to-rail» по входу и выходу, естественно, допускающий включение в режиме с однополярным источником питания, например, AD822 [2]. Это увеличивает динамический диапазон компенсации постоянной составляющей входного напряжения. Заданная величина выходного смещения, не зависящая от величины постоянной составляющей в структуре сигнала, устанавливается подачей необходимого уровня опорного напряжения V_REF. На Рисунке 2 он формируется при помощи построечного резистора R₁, но этот резистор может быть заменен источником опорного напряжения или резистивным делителем. (Автором успешно использовались оба варианта). Как уже отмечалось выше, для получения максимального динамического диапазона выходной уровень опорного постоянного напряжения устанавливается равным половине напряжения питания V_CC. Усилитель, выполненный на ОУ IC_1B, усиливает и инвертирует высокочастотную составляющую напряжения входного сигнала с коэффициентом усиления равным R₄/R₃, обычным для схем усилителей на базе ОУ в инвертирующем включении.

Инвертирующий вычитающий интегратор, выполненный на ОУ IC_1A, обеспечивает компенсацию любого неподходящего для работы схемы напряжения смещения внутри контура отрицательной обратной связи. Переменная составляющая сигнала ослабляется выбором соответствующей постоянной времени интегратора R₂C₁, оставляя, таким образом, лишь усредненную постоянную составляющую смещения на выходе ОУ IC_1B ниже нижней граничной рабочей частоты входного сигнала. Это смещение выходного сигнала в рабочем диапазоне частот будет равно заданному уровню опорного напряжения. На Рисунке 2 показана временная диаграмма действия такой компенсации для случая ступенчатого изменения смещения постоянной составляющей во входном сигнале на величину 4 В. То есть, если учитывать коэффициент усиления схемы, приведенной на Рисунке 2, равный

это будет в условиях очень глубокого перерегулирования, как минимум в 29 дБ! Тем не менее, и это можно видеть из Рисунка 3, время установления предлагаемой схемы с учетом переходных процессов составляет менее 100 мс.

Рисунок 3.	Процесс компенсации ступеньки смещения входного напряжения в 4 В. Время установления менее 100 мс.

Рассмотренное схемотехническое решение имеет еще две дополнительные полезные области применения. Во-первых, это ФВЧ первого порядка без входных емкостей, в котором амплитудно-частотная характеристика имеет спад 6 дБ/октава с частотой среза по уровню –3 дБ. Во-вторых, эта схема также может служить удобным в использовании дифференциатором (инвертирующим и без входного конденсатора) с реакцией на шаг ступенчатого изменения входного напряжения. Как известно, такие дифференциаторы являются потенциально неустойчивыми и, следственно, не очень удобны в применении.

Нижняя частота среза схемы, приведенной на Рисунке 2, определяется по формуле:

(1)

Формула получена в результате моделирования. Для значений элементов, приведенных на Рисунке 2, частота среза в области низких частот равна 47 Гц.

А где же обещанные инфранизкие частоты, спросит читатель? Заменим элементы в интеграторе на R₂ = 2 МОм и C₁ = 2.2 мкФ и зададим коэффициент усиления, например, равный 12, то есть k = R₄/R₃ = 12. Это будет соответствовать той задаче, которую решал автор статьи в своем, упомянутом в начале статьи, проекте.

Согласно формуле (1), имеем:

АЧХ такого варианта каскада приведена на Рисунке 4.

Рисунок 4.	Амплитудно-частотная характеристика в области инфранизких частот.

Как видим, все обошлось без нежелательного разделительного электролитического конденсатора. В противном случае пришлось бы использовать электролитический конденсатор емкостью, как минимум, в 470 мкФ и, естественно, схему формирования сдвига выходного напряжения. Приведенное схемное решение было использовано автором в целом ряде проектов и ни разу не имело нареканий.

Ссылки:

Источник

Постоянный электрический ток

В реальности постоянный ток не может сохранять величину постоянной. Например, на выходе выпрямителей всегда присутствует переменная составляющая пульсаций. При использовании гальванических элементов, батареек или аккумуляторов, величина тока будет уменьшаться по мере расхода энергии, что актуально при больших нагрузках.

Постоянный ток существует условно в тех случаях, где можно пренебречь изменениями его постоянной величины.

Постоянная составляющая тока и напряжения. DC

Отличие постоянного тока от переменного

По ассоциативным предпочтениям в технической литературе импульсный ток часто называют постоянным, так как он имеет одно постоянное направление. В таком случае необходимо уточнять, что имеется в виду постоянный ток с переменной составляющей.
А иногда его называют переменным, по той причине, что периодически меняет величину. Переменный ток с постоянной составляющей.
Обычно берут за основу составляющую, которая больше по величине или которая наиболее значима в контексте.

Параметры постоянного тока и напряжения

Сразу следует отметить, что устаревший термин «сила тока» в современной отечественной технической литературе используется уже нечасто и признан некорректным. Электрический ток характеризует не сила, а скорость и интенсивность перемещения заряженных частиц. А именно, количество заряда, прошедшее за единицу времени через поперечное сечение проводника.
Основным параметром для постоянного тока является величина тока.

Для выпрямителей и преобразователей часто бывает важными следующие параметры для постоянного напряжения или тока:

Замечания и предложения принимаются и приветствуются!

Источник

Добавление постоянной составляющей сигнала на выход генератора функций

Определение постоянного тока

В идеальном случае постоянный ток не меняет своего значения и направления со временем. В действительности постоянный ток не является постоянной величиной в выпрямительных устройствах, так как он содержит переменную составляющую (пульсации).

Форма составляющих постоянного тока

В гальванических элементах постоянный ток тоже не постоянен, его значение уменьшается на нагрузке с течением времени, таким образом, постоянный ток является условным определением и при его использовании, изменениями постоянной величины пренебрегают.

Примечания

Постоянная составляющая тока (DС)

DC — это Direct Current в переводе как постоянный ток. Графически в форме тока можно увидеть его изменения во времени или пульсации. Такие пульсации возникают в форме постоянного тока в выпрямителях с фильтрами, где используются небольшие емкости. В выпрямительных устройствах без использования емкостей пульсация может быть большой.

Пульсирующий ток на выходе выпрямителя без емкостей иногда называют импульсным током. На графике пульсирующего тока отображены постоянная составляющая DC (прямая линия) и переменная AC (пульсации). Постоянная составляющая тока определяется как среднее значение тока в течение периода.

Где Iac – среднее значение переменной составляющей AC, Idc — постоянная составляющая тока.

Всё вышесказанное также относится и к постоянному напряжению.

Содержание

Параметры постоянного тока и напряжения

Интенсивность электрического тока выражается в количестве зарядов перемещенных за промежуток времени через поперечное сечение проводника. Одним из важных параметров постоянного тока является величина тока, которая измеряется в Амперах. Интенсивность тока в 1 Ампер заключается в перемещении заряда один Кулон в течение 1 секунды.

Напряжение постоянного тока измеряется в Вольтах. Напряжение постоянного тока представляет собой разность потенциалов между двумя точками одной электрической цепи. Также важным параметром для постоянного напряжения является размах пульсации и коэффициент пульсации. Размах пульсации представляет собой разность между максимальной величиной пульсации и минимальной.

А коэффициент пульсации выражается в отношении действующей величины переменной составляющей (AC) тока к постоянному значению составляющей (DC). Также важным параметром постоянного тока является мощность P. Мощность постоянного тока можно характеризовать его работой за определенный промежуток времени. Мощность измеряется в Ваттах и определяется по формуле:

Согласно этой формуле одинаковую мощность можно получить при разных токах и напряжениях.

AudioKiller’s site

Идет мужик по улице и громко хлопает в ладоши. Его спрашивают: – Ты чего в ладоши хлопаешь? – Крокодилов разгоняю! – Так нет же никаких крокодилов! – Так это потому, что я их разогнал!

Анекдот, приведенный в эпиграфе, очень хорошо отражает ситуацию с постоянкой в сети. Все с нею успешно борются. Интернет-форумы полны рассказами о том, как стала лучше звучать аппаратура после установки фильтра, устраняющего в сети постоянное напряжение. Только вот идиллию портят три малюсеньких момента:

В общем, разгон крокодилов осуществляется и весьма успешно.

Есть множество людей, убежденных, что устройства, включаемые в сеть, нужно защищать от постоянного напряжения. И от ряда других вещей, присутствующих в ней помимо напряжения 220 вольт 50 герц. Их поддерживают продавцы дорогущих (минимум 1000$) устройств, называемых кондиционерами сети.

Есть также множество людей, считающих, что все это фигня – все аппараты, включенные в сеть, прекрасно работают и без сетевых кондиционеров. Даже высоковольтные помехи не очень-то и страшны – в крайнем случае поставил варистор, и все дела. Тем более, что есть определенные ГОСТы и нормы на качество электроэнергии, и во всех наших договорах с ее поставщиками гарантируется соответствие качества энергии стандарту.

Обе эти группировки спорят на интернет-форумах вплоть до ругани. Кто прав?

С одной стороны, сеть – очень стабильная штука. По пути от электростанции к потребителю ток проходит через ряд мощных трансформаторов, которые отсекают и постоянный ток, и все, что сильно отличается от частоты 50 Гц. С другой стороны, трансформаторы не идеальны (а переходные процессы в трансформаторах – это вообще что-то!), да еще от трансформатора до квартиры конечного потребителя тянется длинный провод, имеющий и сопротивление, и индуктивность (и ловящий заодно ВЧ помехи). А совсем рядом, у соседей за стеной, может работать какое-нибудь «злое» устройство. Несимметричная для обоих полупериодов сети нагрузка дает постоянную составляющую, а трансформатор, который может ее подавить, слишком далеко. Фантастика? А вы посмотрите на реальную сеть. Ее пикфактор, измеренный мною в нескольких районах моего города, равняется где-то 1,35 вместо 1,41. Это из-за «обрезания» верхушек синусоиды многочисленными блоками питания. Т.е. синусоида в сети выглядит «более приплюснутой», чем должна быть. И где тут соответствие ГОСТам? Кстати, переходные процессы при коммутации мощной нагрузки могут быть очень неприятными. По идее, устройства, включаемые в сеть, не должны создавать помех в сети… Вы верите в идею?

Но самое главное что все заявления как сторонников, так и противников постоянки в сети – умозрительны! Ни те, ни другие постоянное напряжение в сети никогда не измеряли. Поэтому все эти высказывания абсолютно ничего не стоят, ведь на самом деле может быть и так, и эдак, и вообще по третьему!

Я сам всегда придерживался умеренных взглядов и считал, что если в сети что-то такое и есть, то не очень и страшно. Высокочастотные помехи умеют проникать сквозь емкости, поэтому с ними надо бороться. А низкочастотные…

Но одно дело взгляды, другое дело реальность. Вот я и решил взять и убедиться, кто прав и что в сети на самом деле происходит. Специальных исследований на эту тему я не встретил, кроме того, мне очень интересно состояние сети не где-то там, а у меня дома. Поэтому я и решил исследовать все самостоятельно, тем более, что такая возможность у меня есть.

Пару раз я уже отслеживал постоянку в сети. Собирал макеты измерительных схем, подключал стрелочный вольтметр и следил за ним визуально. И ничего криминального не увидел. Но такая метода не очень эффективна: по своей идее сеть идеальна, а если в ней что-то случается, то это скорее исключение, чем правило. Если следить за стрелкой целый день, то может быть, что-то заметишь (если именно в этот день возникнут проблемы). Но не выходит целый день пялиться на стрелку. Кроме того, большая постоянная времени этой измерительной системы (около минуты) полезна для измерения «постоянной» постоянки, но при измерении постоянки, время от времени возникающей, возникает заметная погрешность.

Не так давно у меня поменялся парк измерительной техники, и появилась возможность автоматически регистрировать измеряемую величину в течение длительного времени с небольшим периодом – начиная от долей секунды. Общее число измерений при этом может составлять десятки тысяч. Под эти новые измерительные приборы была разработана и изготовлена новая измерительная система, более удобная для измерений. И с этими новыми измерительными возможностями я подключился к сети.

Первая же серия измерений, сделанная в течение 10 минут с интервалом между измерениями 0,5 секунды, показала, что не так все просто.

Постоянная времени измерительной цепи порядка одной секунды, поэтому частоты ниже примерно 1/5 Герца проходят без ослабления. Видите, что получается: не столько даже постоянное напряжение, сколько какие-то инфранизкочастотные колебания, да еще и какая-то импульсная, но тоже довольно низкочастотная помеха (вполне возможно, что эта помеха была еще и высокочастотной, но ВЧ помехи мы давим сетевыми фильтрами). Может быть, в этом сигнале и возможно выделить постоянку, но все же весьма условно – уж очень мала амплитуда.

Как говорил персонаж одного великолепного мультика: «С этой стороны ничуть не лучше». Если все это дело усреднить, то постоянная составляющая будет равна что-то порядка 4 мВ. Нечто подобное – маленькое напряжение – я и наблюдал при своих старых измерениях. Поэтому и не нашел никакого криминала. Если же не сглаживать с большой постоянной времени, то видно, что постоянная составляющая – это вообще не проблема. А вот такие жутковатые колебания – это что-то. Не понятно, правда, насколько это вредно и для кого.

Продолжаем, но время наблюдения увеличиваем (поскольку по ходу дела я тренируюсь и осваиваю технику).

Опачки! Очень похоже на предыдущий график – никакой постоянки (посмотрите на измерения в промежутке времени 2…4 минуты – вообще ноль!). Зато все время идут какие-то странные пачки импульсов. Откуда они берутся – неясно.

С ростом опыта и совершенствованием измерительной системы, начал измерять непрерывно по часу. Следующее измерение получилось вот таким.

Еще один час наблюдений дал такую картинку.

Вот тут уже можно говорить о некоторой постоянной составляющей напряжений сети. Но вся эта постоянная составляющая абсолютно теряется на фоне, опять же непонятно каких, странных помех амплитудой чуть ли не в 80 милливольт и с периодом в ту же примерно минуту. Пока что измерения проводились большей частью в рабочие дни по вечерам (где-то примерно между 17.00 и 20.00). Так что вряд ли это промышленные помехи: несмотря на то, что вокруг моего дома несколько действующих заводов (в том числе радиозаводов), они в это время уже не должны работать, да и мой дом питается от «довольно отдельной» трансформаторной будки во дворе.

Следующее наблюдение весьма занятное.

Что получается? Постоянки вообще никакой, но пару раз за время наблюдения на пару минут возникало что-то вообще невообразимое. 200…250 милливольт, а это весьма не мало. Правда в тот момент у меня в сеть не было включено ничего такого, что могло бы «посадить» эти всплески. Если же такие всплески не «просаживаются», а реально прикладываются к первичной обмотке трансформатора, то это скорее всего нехорошо. И вполне возможно, что при этом нормальная работа трансформатора нарушается. Продолжаем наблюдать.

Теперь делаем «большой забег» на 4 часа с интервалом между измерениями 2 секунды. И вот что видим.

Снова та же картина, 2 часа ничего не происходит, никакого криминала, никакого постоянного напряжения в сети, какой-то шум болтается в районе 5…10 мВ целых 2,5 часа. А потом где-то что-то включилось. И почти час перла мощная сравнительно высокочастотная (насколько это может быть с частотами в доли герц) помеха. А через час снова выключилось. Ни с чем у меня это дело не ассоциируется, нигде ничего не гудело, не шумело, никаких видимых «помеходелательных» явлений замечено не было. При этом я жил как обычно, пользовался домашними приборами, компьютером (и при других измерениях тоже). Так что это не мои помехи.

Детальное исследование этой помехи показано на следующем графике. Точки на нем – это моменты измерений, которые производились с интервалом 2 секунды.

На графике 13 пиков за 5 минут, следовательно, частота этих довольно синусоидальных колебаний около 0,04 Гц при амплитуде до 100 мВ. Постоянная составляющая здесь присутствует и составляет примерно 30 мВ, т.е. практически теряется на фоне этих колебаний.

Ну что же, пора делать вывод.

Итак, первые пробные измерения показали, что не все так просто в сети. Явно выраженное постоянное напряжение практически отсутствует. Зато бывают жутковатые всплески и нередки инфранизкочастотные колебания. Что дальше?

А дальше я буду продолжать исследования. Вот предполагаемые мною направления работы, по каждому из которых я отдельно отпишу результаты.

1. Доработать измерительное устройство. Собственно, это «хитренький» фильтр, со страшной силой обрезающий сигналы выше примерно 0,5 Гц.

2. Подробнее исследовать все эти странности – всплески и «инфраНЧ» колебания. К сожалению, нельзя заранее предсказать, когда эти бяки в сети появятся (я своими штатными бытовыми приборами так и не смог создать ничего подобного, так что откуда берутся в сети эти помехи – не знаю). Так что возможно проведение только пассивного эксперимента: наблюдать за сетью, выяснять в какие дни недели и в какое время такие явления наиболее вероятны. А это дело недель и месяцев (учитывая, что кроме этих исследований у меня иногда бывают еще некоторые дела, например, работа). Потом, определив периоды с наибольшей вероятностью «нечистой сети», понаблюдать за сетью уже более подробно и поискать артефакты, подобные приведенным выше.

3. Проверить, как это все дело влияет на работу трансформаторов. Причем разных. Как провести эксперимент с постоянкой я хорошо представляю, а вот с инфранизкочастотными колебаниями – надо подумать (мысли есть, но надо экспериментировать). И наконец выяснить, насколько все это страшно.

4. И если от этих помех и постоянного напряжения в сети защищаться все же надо, то хочется разработать схему защиты, которая бы, во-первых работала, а во-вторых – защищала бы электронные устройства не от чего-то там непонятного, а от этих вот конкретных неприятностей, которые мы в сети и наблюдаем.

Вот примерно такая программа на будущее. И я потихоньку этим занимаюсь. Пока что измеряю сеть в фоновом режиме…

Total Page Visits: 1 — Today Page Visits: 1

Единицы измерения

Мощность автомобилей исчисляют в лошадиных силах – единице измерения, придуманной изготовителями паровых двигателей с целью измерения работоспособности своих агрегатов в обычном источнике энергии того времени. Мощность автомобиля не говорит, как высоко он может заехать на холм или сколько веса он может перевезти, а только показывает, как быстро он это сделает.

Мощность двигателя зависит от его скорости и вращающего момента выходного вала. Скорость измеряют в оборотах в минуту. Вращающий момент – это момент силы двигателя, который измерялся первоначально в фунт-футах, а сейчас в ньютон-метрах или джоулях.

Тракторный двигатель в 100 л. с. вращается медленно, но с большим крутящим моментом. Мотоциклетный двигатель равной мощности вращается быстро, но с небольшим крутящим моментом. Уравнение расчёта мощности имеет вид:

P = 2π S T / 33000, где S – скорость вращения, об/мин, а T – момент вращения.

Переменными здесь являются момент и скорость. Иначе говоря, мощность прямо пропорциональна ST: P

Источник