Signaalkoppeling

ONDERDELEN EN MATERIALEN

• 6 volt batterij
• Eén condensator, 0,22 µF (Radio Shack-catalogus # 272-1070 of gelijkwaardig)
• Eén condensator, 0,047 µF (Radio Shack-catalogus # 272-134 of gelijkwaardig)
• Kleine "hobby"-motor, type met permanente magneet (Radio Shack-catalogus # 273-223 of gelijkwaardig)
• Audiodetector met koptelefoon
• Lengte van telefoonkabel, enkele meters lang (Radio Shack-catalogus # 278-872)

Telefoonkabel is ook verkrijgbaar bij bouwmarkten. Elke niet-afgeschermde meeraderige kabel is voldoende voor dit experiment. Kabels met dunne geleiders (telefoonkabel is meestal 24-gauge) produceren een meer uitgesproken effect.

KRUISVERWIJZINGEN

Lessen in elektrische circuits , Volume 2, hoofdstuk 7:"AC-signalen met gemengde frequentie"

Lessen in elektrische circuits , Volume 2, hoofdstuk 8:“Filters”

LEERDOELSTELLINGEN

• Om te leren hoe AC-signalen te "koppelen" en DC-signalen te blokkeren naar een meetinstrument
• Om te leren hoe verdwaalde koppeling plaatsvindt in kabels
• Technieken bepalen om koppeling tussen kabels te minimaliseren

SCHEMATISCH DIAGRAM

ILLUSTRATIE

INSTRUCTIES

Sluit de motor aan op de batterij met behulp van twee van de vier geleiders van de telefoonkabel. De motor moet lopen, zoals verwacht. Sluit nu de audiosignaaldetector aan op de motorklemmen, met de 0,047 µF condensator in serie, als volgt:

U zou een "zoem" of "gejank" in de hoofdtelefoon moeten kunnen horen, wat de AC "ruis"-spanning voorstelt die door de motor wordt geproduceerd wanneer de borstels contact maken en verbreken met de roterende commutatorstaven.

Het doel van de seriecondensator is om te fungeren als een hoogdoorlaatfilter, zodat de detector alleen de wisselspanning over de motorklemmen ontvangt, geen gelijkspanning. Dit is precies hoe oscilloscopen een "AC-koppeling"-functie bieden voor het meten van de AC-inhoud van een signaal zonder enige DC-biasspanning:een condensator is in serie geschakeld met één testsonde.

In het ideale geval zou je niets anders verwachten dan pure gelijkspanning op de klemmen van de motor, omdat de motor direct parallel aan de batterij is geschakeld. Aangezien de klemmen van de motor elektrisch gemeenschappelijk zijn met de respectieve klemmen van de batterij, en de aard van de batterij is om een ​​constante gelijkspanning te handhaven, zou er niets anders dan gelijkspanning moeten verschijnen op de motorklemmen, toch?

Welnu, vanwege de interne weerstand van de batterij en langs de geleiderlengtes, produceren stroompulsen die door de motor worden getrokken, oscillerende spanningsdips bij de motorklemmen, waardoor de AC-ruis die door de detector wordt gehoord, wordt veroorzaakt:

Gebruik de audiodetector om de "ruis"-spanning direct over de batterij te meten. Aangezien de wisselstroomruis in dit circuit wordt geproduceerd door pulserende spanningsdalingen langs verdwaalde weerstanden, hoe minder weerstand we meten, hoe minder ruisspanning we zouden moeten detecteren:

U kunt ook de ruisspanning meten die valt langs een van de telefoonkabelgeleiders die de motor van stroom voorzien, door de audiodetector aan te sluiten tussen beide uiteinden van een enkele kabelgeleider. De hier gedetecteerde ruis is afkomstig van stroompulsen door de weerstand van de draad:

Nu we hebben vastgesteld hoe AC-ruis wordt gecreëerd en gedistribueerd in dit circuit, laten we eens kijken hoe het wordt gekoppeld naar aangrenzende draden in de kabel. Gebruik de audiodetector om de spanning te meten tussen een van de motorklemmen en een van de ongebruikte draden in de telefoonkabel. De condensator van 0,047 µF is bij deze oefening niet nodig, omdat er geen gelijkspanning tussen deze punten is die de detector toch kan detecteren:

De hier gedetecteerde ruisspanning is te wijten aan verdwaalde capaciteit tussen aangrenzende kabelgeleiders, waardoor een AC-stroom "pad" tussen de draden ontstaat. Onthoud dat er geen stroom daadwerkelijk door gaat een capaciteit, maar de afwisselende laad- en ontlaadactie van een capaciteit, of deze nu bedoeld of onopzettelijk is, zorgt voor alternerende huidige een soort pad.

Als we zouden proberen een spanningssignaal te laten lopen tussen een van de ongebruikte draden en een punt dat gemeenschappelijk is met de motor, zou dat signaal besmet raken met ruisspanning van de motor. Dit kan behoorlijk nadelig zijn, afhankelijk van hoeveel ruis er tussen de twee circuits was gekoppeld en hoe gevoelig het ene circuit was voor de ruis van het andere.

Aangezien het primaire koppelingsverschijnsel in dit circuit capacitief van aard is, zijn ruisspanningen met een hogere frequentie sterker gekoppeld dan ruisspanningen met een lagere frequentie.

Als het extra signaal een DC-signaal was, zonder dat er AC in werd verwacht, zouden we het probleem van gekoppelde ruis kunnen verminderen door de AC-ruis te "ontkoppelen" met een relatief grote condensator die over de geleiders van het DC-signaal is aangesloten. Gebruik hiervoor de 0,22 µF condensator, zoals afgebeeld:

De ontkoppelcondensator fungeert als een praktische kortsluiting voor elke AC-ruisspanning, terwijl de DC-spanningssignalen tussen die twee punten helemaal niet worden beïnvloed. Zolang de waarde van de ontkoppelingscondensator aanzienlijk groter is dan de verdwaalde "koppelingscapaciteit" tussen de geleiders van de kabel, wordt de AC-ruisspanning tot een minimum beperkt.

Een andere manier om gekoppelde ruis in een kabel te minimaliseren, is om te voorkomen dat twee circuits een gemeenschappelijke geleider delen. Sluit ter illustratie de audiodetector aan tussen de twee ongebruikte draden en luister naar een ruissignaal:

Er moet veel minder ruis worden gedetecteerd tussen twee van de ongebruikte geleiders dan tussen één ongebruikte geleider en één die in het motorcircuit wordt gebruikt. De reden voor deze drastische vermindering van ruis is dat verdwaalde capaciteit tussen kabelgeleiders de neiging heeft om dezelfde te koppelen ruisspanning naar beide van de ongebruikte geleiders in ongeveer gelijke verhoudingen.

Dus bij het meten van spanning tussen die twee geleiders, "ziet" de detector alleen het verschil tussen twee ongeveer identieke ruissignalen.