Диаграммы напряжений (осциллограммы), токов и с чем это глядят...

Нередко в различных статьях или на лекциях по электро-тематикам можно слышать выражение Диаграмма напряжения или тока. В данной статье мы рассмотрим, что такое диаграмма вообще, и что такое диаграмма тока или напряжения, её практическое и теоретическое значение.

 Сама по себе диаграмма подразумевает графическое отображение зависимости двух величин или параметров. Например, если рассматривать зависимость силы тяжести какого либо тела от его массы, то такую зависимость можно отобразить следующей диаграммой (рис. 1):

Рис.1 Диаграмма силы тяжести, зависящей от массы тела.

Из неё мы можем увидеть, что чем больше масса тела (отмеченная по горизонтальной оси), тем больше этой массе соответствует сила тяжести (отмечена по вертикальной оси).
Но мы не будем увлекаться механикой, нас больше интересует электрика, так что, ближе к теме.
При работе с электрическими схемами нас чаще будет интересовать три параметра зависимостей - напряжениеток и время. Анализируя работу схем часто приходится контролировать величину напряжения зависящую от тока, величину тока зависящую от напряжения и величину тока или напряжения в различные моменты времени.
Рассмотрим сначала последний случай - величина тока или напряжения в различные промежутки времени. Вы наверняка уже слышали выражения “переменное напряжение (ток)” и постоянное. Чем эти понятия отличаются? Скажем так - характером. Говоря о характере постоянного напряжения (тока), можно сказать, что оно не изменяется в различные промежутки времени. Если же рассматривать переменное или пульсирующее напряжение (ток) - такой характер величины само собой подразумевает различное значение величин в различные промежутки времени. И в этих случаях нас как раз интересует характер изменения величины напряжения или тока во времени, или как говорят - закон, по которому она изменяется. Говоря закон, здесь мы имеем в виду математический закон (формулу или функцию). Определять, по какому закону ведёт себя напряжение или ток, это задача скорей математическая, и мы не будем сейчас забивать ей голову. А вот определить характер этой величины нам вполне по силам. Допустим, у нас есть вольтметр, которым мы можем точно измерить напряжение на клеммах источника питания в любой момент времени. И мы запишем наши измерения в простую табличку, например такую:

Таблица 1.
время, с          напряжение, В
0                      0
0,02                 4,2
0,04                 4,5
0,06                 0,7
0,08                 -3,7
0,1                   -4,7
0,12                 -1,3
0,14                 3,2
0,16                 4,9
0,18                 2,0
0,2                   -2,7

Попробуем построить график по нашей табличке, что бы посмотреть, как изменяется напряжение с течением времени. По горизонтальной оси отметим пункты времени, когда мы замеряли наше напряжение, а по вертикальной оси отметим шкалу напряжения, по которой и будем отмечать величину измеренного напряжения в заданной точке времени. Получим изображение нескольких точек на плоскости:

Рисунок 2.

Допустим, мы точно знаем, что от точки к точке напряжение у нас изменяется достаточно равномерно, и тогда мы можем примерно оценить его значение в любой момент времени, если соединим соседние точки измерений. При этом у нас получится диаграмма вида:

Рисунок 3.

Мы видим, что у нас получилась какая то кривая, которая очень близко по форме напоминает нам синусоиду. И если допустить, что это и есть синусоида, то мы смело можем сказать, что в нашем случае характер переменного напряжения синусоидальный.
Если нам необходимо увидеть более точную форму кривой диаграммы, нам просто нужно сделать больше измерений за этот же промежуток времени, и чем больше будет таких измерений, тем точнее и плавнее будут линии нашей диаграммы.
Многие уже обратили внимание на то, что в столь короткий промежуток времени человек не в состоянии физически произвести так много замеров, и тем более записать их в таблицу. Всё верно. Но для этого человек и придумал себе в помощь различные приборы и инструменты. Одним из таких представителей является осциллограф. Суть его заключается в том, что в его электронно-лучевой трубке создаётся луч электронов. Этот луч отклоняется специальными электромагнитами по горизонтали и вертикали. Отклоняя луч по горизонтали мы как бы показываем течение времени по шкале экрана. А подав измеряемое напряжение на вертикальную систему магнитов, мы заставим луч отклоняться по вертикали в верх или вниз, в зависимости от того, увеличивается или уменьшается это напряжение. Достигая стенки экрана электронно-лучевой трубки электроны погибают, излучая свет, и на экране на короткое время вспыхивает череда точек, вырисовывая траекторию движения луча. Таким образом, человек смог создать для себя прибор, способный рисовать уже готовые диаграммы на экране в режиме реального времени, при этом сразу с большой степенью вероятности можно определить характер изменения такого напряжения. Графики, полученные осциллографами обычно называют осциллограммами.
Практическая сторона знания характера напряжения доступного нам источника питания, то, что мы уже можем ориентироваться, каким образом от этого источника мы можем запитать нашу очередную самоделку, или уже готовое устройство. Например от источника питания с постоянным напряжением какие то устройства мы можем подключать напрямую. А если источник выдает переменное напряжение, то для подключения к нему устройства, требующего постоянного напряжения питания требуется включить между ними ещё и выпрямитель, стабилизатор, возможно какой то фильтр или т.п.
Если рассматривать весь спектр электротехнических устройств (а не только источники питания), то как практическая, так и теоретическая (проектно-рассчётная) сторона подобного рода диаграмм гораздо шире и имеет очень важное значение. Без применения и анализа этих диаграмм практически невозможно разработать и правильно настроить подавляющее большинство электротехнических устройств.
Диаграммы (осциллограммы) тока получаются аналогичным образом, только здесь вместо напряжения учитывается ток в интересующей нас электрической цепи. Как измерить ток в цепи, это отдельная тема для разговора. Но для понимания сути процессов, рекомендую Вам её так же рассмотреть.
Так же при разработке различных электротехнических и электронных устройств часто требуется знание зависимости токов или напряжений различных участков схемы или отдельных компонент, а так же зависимости напряжения от тока, или тока от напряжения некоторых компонент, включенных в схему каким то определённым образом. Зависимости одного параметра, например напряжения от напряжения или тока от тока чаще отражают какие то усиливающие или гасящие характеристики устройств. Например, в усилителе тока отношение выходного тока к входному показывает коэффициент усиления. А диаграмма зависимости этих токов показывает, каким образом меняется этот коэффициент усиления в диапазоне входных токов. Это позволяет правильно и эффективно настроить устройства, например что бы усилитель тока работал с максимальной отдачей и с минимальными искажениями сигнала.
При расчётах и проектировании схем любой сложности, от самых простых до супер навороченных, учитывают свойства каждой компоненты. При включении любого элемента схемы в цепь с напряжением отличным от нуля, по этому элементу будет протекать какой-то ток. При изменении этого напряжения будет изменяться и ток протекающий через данный элемент, например резистор, диод и т.п. Такая характеристика компоненты называется Вольт-амперной (составной термин, включающий в себя наименования единиц измерения рассматриваемых величин). На рисунках 4 и 5 изображены примеры вольт-амперных характеристик для резистора и полупроводникового диода соответственно.

рисунок 4. Вольт-амперная характеристика резистора

Рисунок 5. Вольт-амперная характеристика полупроводникового диода.

Из приведённых примеров на рисунках 4 и 5 мы видим, что характеристики могут отображаться как в виде прямых линий, так и в виде кривых. Характеристики элементов в виде прямой принято называть линейными, в виде кривой - нелинейными. Часто так же сами элементы имеющие такие характеристики так же называют линейными и нелинейными. В нашем случае резистор - линейный элемент, диод - нелинейный.
Более сложные элементы схем, такие например, как транзистор, имеют несколько усложнённый комплекс характеристик, каждая из которых представляет одну из характеристик, перечисленных выше.
Данные характеристики так же с лёгкостью может отразить осциллограф, только в этом случае горизонтальным отклонением луча будет управлять не время-задающая схема, а например напряжение снятое с элемента, а вертикальным - ток в цепи элемента.
Статья получилась слегка раздутой, поэтому подытожим, чего тут начитали:
Диаграмма - отображение зависимости двух величин.
Диаграмма напряжения (тока) - отображение изменения величины напряжения (тока) с течением времени. При неизменной величине тока или напряжения (постоянный ток или напряжение) диаграмма будет иметь вид прямой линии.
Вольт-амперная характеристика (ВАХ) - диаграмма зависимости напряжения от тока или наоборот.
Осциллограмма - диаграмма измеряемой величины (величин), отображаемая на экране осциллографом в режиме реального времени. Стоит отметить, что современные осциллографы умеют писать в память или в файл (при сопряжении устройства с ПК) заданные отрезки диаграмм, что позволяет использовать эти данные для автоматизированного анализа и расчётов, что в ряде случаев весьма полезно и удобно в работе.
В электронике и электротехнике диаграммы описывают практически все важные свойства всех элементов, как простых так и сложных, которые в той или иной мере обязательно учитываются при построении схем. Таким образом, без базового представления о диаграммах, успешное создание электрических схем невозможно.

Google