Мониторинг фаз, помогите розобраться

[jerry]

Известно, что в конденсаторе и катушке индуктивности фаза тока не совпадает с фазой напряжения. Подскажите плиз, как можно увидеть с помощью двухканального осциллографа эти разные фазы, если можно, то с рисунком схемы. Заранее благодарен.

[vgg60]

Попробуйте так. Схема только для конденсатора, для индуктивности посчитаете сами. На клеммы Х1 и Х2 подаёте напряжение порядка 100 вольт от сетевого трансформатора ( ни в коем случае не от сети!!!!!). С клеммы Х3 снимаете сигнал напряжения
(чувствительность осциллографа 50 В/дел), с клеммы Х4 - сигнал тока (чувствительность канала здесь 0,5 В/дел). Если напряжение с трансформатора будет 20-50 вольт, то чувствительность каналов нужно изменить.

[YAA]

Попробуйте так. Схема только для конденсатора, для индуктивности посчитаете сами. На клеммы Х1 и Х2 подаёте напряжение порядка 100 вольт от сетевого трансформатора ( ни в коем случае не от сети!!!!!). С клеммы Х3 снимаете сигнал напряжения
(чувствительность осциллографа 50 В/дел), с клеммы Х4 - сигнал тока (чувствительность канала здесь 0,5 В/дел). Если напряжение с трансформатора будет 20-50 вольт, то чувствительность каналов нужно изменить.

Немножко не так. Для полной корректности, нужно мерить напряжение на конденсаторе, то есть между клеммами 3 и 4.

[vgg60]

Надо ещё учесть разницу между амплитудным и действующим напряжением ( при установке чувствительности осциллографа). Ну это уже разберётесь ( на экране будет, естественно, полная амплитуда).

[vgg60]

Это будет сложно сделать - земля у осциллографа одна. Но это неважно - токовый сигнал составляет чуть больше процента от сигнала напряжения - поэтому погрешность увидеть на экране невозможно в данной схеме. Можно ещё немного уменьшить номинал резистора - скажем, до 30 ом. Тогда погрешность будет меньше процента. Какой осциллограф позволит её увидеть?

[YAA]

Это будет сложно сделать - земля у осциллографа одна. Но это неважно - токовый сигнал составляет чуть больше процента от сигнала напряжения - поэтому погрешность определить невозможно в данной схеме.

Обьявить землёй клемму 4, а показания на клемме 2 - проинвертировать.

[vgg60]

Обьявить землёй клемму 4, а показания на клемме 2 - проинвертировать.

Понять бы ещё, ЗАЧЕМ всё это делать? На осциллографе всё будет нормально видно и так. Не надо плодить лишних сущностей.

[YAA]

Обьявить землёй клемму 4, а показания на клемме 2 - проинвертировать.

Понять бы ещё, ЗАЧЕМ всё это делать? На осциллографе всё будет нормально видно и так. Не надо плодить лишних сущностей.

Может Вы и правы... Но то, о чём я сказал, тоже можно сделать без дополнительных затрат. Сущности останутся теми-же самыми.

[jerry]

Спасибо большое, буду пробовать.
Для индуктивности я так понимаю все тоже, только заменить конденсатор на индуктивность?

[vgg60]

Ещё надо рассчитать индуктивность. Чтобы всё было так же, как и с конденсатором, нужно рассчитать величину индуктивности, чтобы сопротивление её на частоте 50 герц было около трёх килоом - чуть больше, чуть меньше - неважно. Если получится слишком большая индуктивность - пусть будет 1 килоом. Или около того. Только придётся выбрать номинал резистора примерно 1 % от этого сопротивления. Можно чуть больше или чуть меньше.

[YAA]

Ещё надо рассчитать индуктивность. Чтобы всё было так же, как и с конденсатором, нужно рассчитать величину индуктивности, чтобы сопротивление её на частоте 50 герц было около трёх килоом - чуть больше, чуть меньше - неважно. Если получится слишком большая индуктивность - пусть будет 1 килоом. Или около того. Только придётся выбрать номинал резистора примерно 1 % от этого сопротивления. Можно чуть больше или чуть меньше.

Индуктивное сопротивление 3кОм, получается 10Гн. Многовато...
Есть ещё вариант - смотреть на более высоких частотах, от генератора.

[vgg60]

А если взять 1 килоом, то можно использовать первичку от сетевого трансформатора.... И если взять трансформатор ТП-114-2, то можно и от него применить первичку. Её индуктивность примерно 8,9 Гн. А 3-5 Генри - у трансформаторов побольше, с малым количеством витков. У ТН-46, например, индуктивность первичной обмотки 3,7 Гн. Тоже нормально.

[jerry]

Попробовал. Все ок. В аттачменте полученная осциллограмма (желтым-ток, красным- напряжение). Снималось все при напряжении 20вольт и частоте 50Гц с транса.
Но вот какая штука получается, если увеличивать номинал резистора, то амплитуда тока растет, а фазовый сдвиг уменьшается. Почему он уменьшается? Ведь кондер в цепи остается, соответственно ток по прежнему опережает напряжение, а на осцилограмме получается ток синфазно с напряжением?!
Тоже самое получается, если использовать не трансформатор, а генератор и когда частота 50Гц - сдвиг фаз четко наблюдается, а с повышением частоты сдвиг фаз стремится к нулю.

[YAA]

Попробовал. Все ок. В аттачменте полученная осциллограмма (желтым-ток, красным- напряжение). Снималось все при напряжении 20вольт и частоте 50Гц с транса.
Но вот какая штука получается, если увеличивать номинал резистора, то амплитуда тока растет, а фазовый сдвиг уменьшается. Почему он уменьшается? Ведь кондер в цепи остается, соответственно ток по прежнему опережает напряжение, а на осцилограмме получается ток синфазно с напряжением?!
Тоже самое получается, если использовать не трансформатор, а генератор и когда частота 50Гц - сдвиг фаз четко наблюдается, а с повышением частоты сдвиг фаз стремится к нулю.

Резистор, по сути, должен быть шунтом, то есть его сопротивление должно быть много меньше, чем сопротивление конденсатора. В противном случае - это уже другая цепочка. Когда сопротивление конденсатора станет много меньше, чем сопротивление резистора, то можно считать, что конденсатора нет (кз), а есть только резистор. Понятно, что в этом случае никакого сдвига фаз и не должно быть. При промежуточных соотношениях между R и C будут промежуточные сдвиги фаз от 0 до 90гр. То же самое происходит при повышении частоты. Сопротивление конденсатора уменьшается, а сопротивление резистора не меняется.

[vgg60]

Всё правильно. Сопротивление резистора должно быть не больше 1-2 процента от сопротивления конденсатора на заданной частоте. Тогда изменения сдвига фаз за счёт добавления резистора в схему заметить будет нельзя. Лучше - ещё меньше, 0,1 процента, например. Но тогда токовый сигнал будет плохо различим на фоне шумов.

[jerry]

Спасибо большое, с этим все понятно. Но отсюда есть следующий вытекающий вопрос:
Имеем фильтры первого порядка для ВЧ и НЧ звена. В литературе написано, что фильтр первого порядка крутит фазу сигнала на 90 градусов, а есть конструкции с низкой частотой раздела, которые содержат большие номиналы конденсатора (например 20-30мкф). В этих конструкциях ВЧ звено (собственно рупорный драйвер) включают с перевернутой на 180 градусов фазой. Особенно часто можно встретить СЧ звено подключенное с перевернутой фазой, но там емкости конденсатора достигают 60-80мкф.
Попробовал посмотреть осциллографом как крутит фазу фильтр первого порядка и увидел следующее: фаза начинает крутится только при приближении к расчетной частоте раздела и существенно крутится ниже частоты раздела.
Вопросы собственно следующие
1. Зачем меняют фазу подключения драйвера, если сама фаза сигнала существенно крутится только ниже частоты раздела, где амплитуда убывает?

[jerry]

Спасибо большое, с этим все понятно. Но отсюда есть следующий вытекающий вопрос:
Имеем фильтры первого порядка для ВЧ и НЧ звена. В литературе написано, что фильтр первого порядка крутит фазу сигнала на 90 градусов, а есть конструкции с низкой частотой раздела, которые содержат большие номиналы конденсатора (например 20-30мкф). В этих конструкциях ВЧ звено (собственно рупорный драйвер) включают с перевернутой на 180 градусов фазой. Особенно часто можно встретить СЧ звено подключенное с перевернутой фазой, но там емкости конденсатора достигают 60-80мкф.
Попробовал посмотреть осциллографом как крутит фазу фильтр первого порядка и увидел следующее: фаза начинает крутится только при приближении к расчетной частоте раздела и существенно крутится ниже частоты раздела.
Вопросы собственно следующие
1. Зачем меняют фазу подключения драйвера, если сама фаза сигнала существенно крутится только ниже частоты раздела, где амплитуда убывает?

2. Получается, что до частоты раздела фаза не крутится? тогда почему в книгах пишут что фильтр крутит фазу именно в рабочем диапазоне частот? а при измерениях видно что фаза крутится только ниже частоты раздела, т.е там где конденсатор не является "перемычкой", а начинает оказывать сопротивление?

[vgg60]

Я не специалист по расчёту фильтров и ничего разумного посоветовать здесь не смогу. Хочу сказать вот что: конденсатор - это не фильтр. Он становится фильтром только на пару с резистором. Причём, этот резистор должен вносить на рабочей частоте свой вклад. А мы для эксперимента рассчитывали схему так, чтобы резистор практически не влиял на работу схемы на частоте эксперимента. Он выполнял функцию датчика и не больше. Чтобы разобраться в работе фильтров, придётся почитать специальную литературу.

[vgg60]

Ещё один вариант разобраться, как работают фильтры - найти и установить какой-нибудь симулятор схем. Лучше всего - Microcap9. С его помощью можно моделировать всё, что угодно (включая фильтры).

[YAA]

2. Получается, что до частоты раздела фаза не крутится? тогда почему в книгах пишут что фильтр крутит фазу именно в рабочем диапазоне частот? а при измерениях видно что фаза крутится только ниже частоты раздела, т.е там где конденсатор не является "перемычкой", а начинает оказывать сопротивление?

"Всё смешалось в доме Облонских..."
Давайте разберёмся, что Вы измеряете! Ведь есть разница между сдвигом фаз между током и напряжением в реактивных элементах и сдвигом фаз между напряжениями на входе и выходе фильтра?
Вернёмся к схеме, любезно предоставленной vgg60. Если Вы проведёте измерения так, как я говорил:

Обьявить землёй клемму 4, а показания на клемме 2 - проинвертировать.

, то увидите, что сдвиг фаз всегда будет 90гр, независимо от величины R1.
В случае использования трансформатора, это делается легко, путём переключения зажима (крокодил) осциллографа в точку 4, один канал в точку 3, второй - в точку 2. Если используется генератор, то тут сложнее... Если корпуса генератора и осциллографа заземлены (как правило), то такое переключение закоротит R1. В этом случае нужен осциллограф, который (как папа у Васи ) силён в математике. При таких измерениях, Вы напрямую измеряете напряжение на конденсаторе и ток через него же, поскольку ток в цепи протекает один и тот же.

Вообще, из самого определения активного сопротивления, ёмкости и индуктивности следует, что при синусоидальных токах и напряжениях:
1. Для активного сопротивления: ток, протекающий через активное сопротивление ВСЕГДА совпадает по фазе с напряжением на активном сопротивлении, независимо от схемы включения.
2. Для ёмкости: ток, протекающий через ёмкость ВСЕГДА опережает на 90гр напряжение на ёмкости, независимо от схемы включения.
3. Для индуктивности: ток, протекающий через индуктивность ВСЕГДА отстаёт на 90гр от напряжения на индуктивности, независимо от схемы включения.

Все эти три правила приводят к тому, что в фильтрах сдвигаются напряжения. Если в названии фильтра указывать то, что он пропускает (фильтр НЧ - пропускает низкие частоты, и ослабляет верхние; фильтр ВЧ - пропускает высокие и ослабляет низкие, полосовой фильтр - пропускает частоты от... и до..., а всё остальное ослабляет), то в полосе пропускания сдвиг фазы минимальный.